UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA Laboratorio de Ingeniera Mecnica I Medicin de Potencia y velocidad

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

MEDICION DE POTENCIA Y VELOCIDAD

CURSO: LAB ING MECANICA I MN-412

ALUMNOS: WILFREDO QUISPE ROJAS 20021011FLUIS HUARATAZO HUALLPA20070071IALEXANDERHURTADO VELA 20041117DALAN GABRIEL ANDA ROMERO 20062048AERNESTO AGURTO SANCHEZ20060090K

SECCION:C

PROFESOR: ING. CESAR UGARTE

LIMA PERU 2009

OBJETIVOS

Conocer y aplicar los diferentes metodos de calculo de potencia asi como la constrastacion delos datos tecnicos obtenbidos en e l laboratorio, con la teoria.

Dominar el uso correcto de los instrumentos tales como el tacometro, indicador de diagrama y el planimetro.

Entendor los principios basicos que rigen estos metodos antiguos, dado que la teccnologia actual crea instrumentos que se basan en los mismos principios.

Establecer relaciones entre los resultados y los errores analizando la efecticidad de los distintos metodos de medicin.

Observar los diferentes tipos de energia durante el experimento (mecanica, electrica, acustica, termica, quimica,etc)y asi entender que la energia no se crea ni se destruye, solo se transforma. Ademas que su medicion por diferentes metodos conllevan a un mismo resultado teoricamente.

FUNDAMENTO TERICO

Freno de Prony

Forma general de un freno dinamomtrico Prony

Descripcin:El freno consta de un brazo, sobre el que van montados un dinammetro y una rueda, que tiene adosada una cincha de alto rozamiento. Esta rueda es la que se conecta al eje del motor del cual se quiere medir su potencia. El ajuste de la cincha es variable, pudindose controlar as el torque de carga aplicado al motor.Aplicacin:Este freno provee una forma sencilla de aplicar un torque de carga al eje principal de salida de un motor. La potencia de salida es disipada en forma de calor por el material del freno. Ajustando la fuerza del freno, se puede cambiar la fuerza del torque. Combinando la medicin de este torque (mediante un dinammetro colocado en el brazo del freno, a una distancia conocida del eje del motor) con la medicin de velocidad de rotacin del eje, puede calcularse la potencia de salida del motor. Fue inventado por Gaspard Clair Francois Marie Riche de Prony (1775-1839), ingeniero francs, quien construy y mejor numerosos canales y puertos de Francia, colabor en la definicin del sistema mtrico decimal y midi con muy buena aproximacin la velocidad del sonido en el aire.

POTENCIA INDICADA (Ni)La potencia indicada que es la que se le entrega a la sustancia que se comprime en el compresor.La potencia se define como:

Presin : Usamos la presin media indicada de un ciclo termodinmico obtenida con ayuda del diagrama indicado proporcionado por el indicador del tipo pistn (pmi.

Volumen : Se toma el volumen de desplazamiento mximo del cilindro.

Tiempo : Es el tiempo para un ciclo termodinmico.

Por lo tanto la potencia indicada ser igual a:

Donde:pmi : Presin media indicada de un ciclo en N/m2A : rea del pistnL : Carrera del pistnN : RPM ( ciclo/min) : Dos (para ciclo de 4 tiempos), Uno (para ciclo de 2 tiempos)La presin media indicada se obtiene con el indicador de diagrama que es un instrumento provedo de un soporte que nos registra el ciclo termodinmico que se suscita en escala reducida y se define como la presin constante que durante una carrera produce un trabajo igual al trabajo indicado..DIAGRAMA QUE SE OBTIENE:

PRESIN MEDIA INDICADA (pmi)Se define como la presin constante que durante una carrera produce un trabajo igual al trabajo indicado.

Pmi = presin media indicada por ciclo

K = Constante del resorte en nuestro caso A = rea del ciclo termodinmico L = longitud del diagrama RENDIMIENTO INDICADO

La potencia es el producto del par motor por el rgimen de giro del mismo. Esto implica que si tenemos dos vehculos con la misma potencia, el que tenga menos par motor obtendr la potencia mxima a un rgimen ms elevado que el otro. Este hecho influye en el estilo de conduccin.La potencia es necesaria para obtener la velocidad mxima.PRESIN MEDIA EFECTIVA (pme)Se define como la presin constante que durante una carrera produce un trabajo igual al trabajo efectivo.

Valores tpicos de PME en bar:MEP Turismos: 8 - 14MEP Deportivos: 8,5 - 25MEC Automocin: 6 - 16MEC 4T Industriales: 5,5 - 23 (motores de camin)MEC 2T Lentos: 10 - 15 (motores de barcos)

Fig I.6.- Diagrama indicado del compresor real,con igualacin de presiones en los puntos muertos

Fig I.5.- Diagrama real de trabajo de un compresor

Frenos dinamomtricos a.- De absorcin hidrulica

Freno hidrulico V-700 Freno hidrulico V-2100

Para elevadas potencias y en aplicaciones donde se precise baja inercia en el freno, se utilizan los dinammetros hidrulicos. Estas mquinas son bsicamente convertidores hidrulicos de par, muy similares a los utilizados en las transmisiones automticas. De hecho, en aplicaciones de bajo coste, eventualmente se emplean los ralentizadores hidrulicos. Constan de uno o varios rotores en forma de turbina hidrulica, enfrentados a estatores de similar geometra, inmersos en un fluido hidrulico que es generalmente agua. El rotor, solidario al eje del motor (cambio en este caso) acta como bomba hidrulica y desplaza el agua desde el eje de giro a la periferia guindolo con la forma de sus alabes de manera que las partculas de agua impulsadas por el movimiento del rotor, salen proyectadas paralelas al eje de giro y contra la parte superior de los alabes del estator, que las recoge y devuelve a la parte inferior del siguiente alabe del rotor. Se crea as una corriente de agua en forma de torbellino toroidal que es la ligazn viscosa entre rotor y estator. Segn la cantidad de agua que hay en el interior del freno, la "superficie hidrulica", enfrentada entre los alabes, es mayor o menor y, por lo tanto, esta ligazn entre parte mvil y fija es proporcional al volumen de agua del interior del freno. Pero como toda la potencia se transforma en calor, es necesario hacer circular este fluido para disipar el calor generado. Por esta razn el agua se trasiega con la propia impulsin del rotor y el llenado del freno en cada momento se controla con una vlvula en la descarga que estrangula la salida en funcin del par resistente que se desea aplicar. Al igual que en el freno elctrico, el estator se balancea y se mide el par motor con clula de carga, el rgimen de giro y como consecuencia la potencia. Los frenos hidrulicos son menos voluminosos, tienen rotores con mucha menor inercia y su mantenimiento es prcticamente nulo. Pero este tipo de frenos tiene la peculiaridad de frenar en funcin del cuadrado de la velocidad, con lo que a bajas vueltas su par de giro es muy pequeo y hay que pasar a tamao de frenos grandes para frenar potencias pequeas a bajo rgimen.

b.- Los frenos dinamomtricos elctricos.-Los frenos dinamomtricos elctricos son maquinas concebidas para efectuar ensayos en carga de motores en los que sea necesaria una regulacin rpida y de alta precisin.Las excepcionales caractersticas de este tipo de frenos los hacen especialmente apropiados para trabajos de investigacin, desarrollo, homologaciones, y ensayos automatizados, debido a la facilidad de control directo por ordenador.Los frenos dinamomtricos elctricos serie E responden a un diseo muy elaborado, segn el estado actual de esta tecnologa, e incorporan importantes ventajas constructivas que proporcionan: las ventajas tpicas de los frenos elctricos combinadas con una elevada resistencia mecnica y trmica, sencillez de instalacin y mantenimiento, y muy alta duracin.

Freno elctrico E-135 Freno elctrico E-700Freno elctrico ATLAS

Se trata de una mquina elctrica, cuyo principio de funcionamiento se basa en las corrientes parsitas de Foucault o corrientes de Eddy que se producen en las mquinas elctricas en su funcionamiento. Al contrario que en un motor elctrico donde se desean reducir al mximo estas corrientes parsitas para elevar su rendimiento, un freno de corrientes de Foucault potencia y aprovecha las corrientes parsitas, que se producen en el estator, para oponer resistencia al giro del eje. En efecto, el rotor se construye dentado y al girar arrastrado por el motor produce en el estator unas corrientes que se oponen al movimiento bajo la influencia de un campo magntico generado por una bobina en el estator y de caractersticas regulables por control electrnico. El par resistente es proporcional a la intensidad que atraviesa la bobina y la potencia de frenada es el producto de ese par por la velocidad de giro. Toda la potencia frenada se transforma en calor, por lo que es necesario refrigerar la mquina evacundolo por circulacin de agua en unas "camisas" mecanizadas en el estator. La carcasa o estator del freno est balanceada y sera arrastrada por la influencia magntica del rotor en su giro si no fuera porque est impedida por la unin a la bancada a travs de un sensor de esfuerzo o clula de carga extensiomtrica. Este sensor, puede medir la fuerza o par con que intenta girar el estator, que es el mismo que el que le transmite el rotor, que se llama par resistente y que es tambin el mismo que el par del motor. El freno dinamomtrico no slo opone la resistencia al giro, sino que evaca el calor generado en el proceso y mide el par del motor. Como adems es posible medir la velocidad de giro en el freno, que es la misma que la del motor, es posible obte ner la potencia mecnica del motor con slo multiplicar el par por el rgimen de giro en cada instante.El control del par resistente del freno se realiza electrnicamente mediante un regulador P.I.D. (Proporcional, Integral, Derivativo) que aplicado a la etapa de potencia de transistores adecuadas al tipo de freno, permite estabilizar el conjunto freno-motor en condiciones de par y rgimen predeterminados, manualmente o de forma automtica comandado desde el ordenador segn un ciclo de trabajo programado por el usuario. Los dinammetros elctricos son fcilmente regulables y muy estables, pero sus dimensiones en funcin de la potencia disipable son muy elevadas, lo que se ve reflejado en su coste. Para aplicaciones de menos precisin y coste se emplean, eventualmente, frenos elctricos de Foucault refrigerados por aire, que permiten oponer una potencia razonable aunque por cortos perodos de tiempo al estar limitados por su ventilacin.

I. MEDICIN MECNICA DE POTENCIA FRENO PRONY

1.1 EQUIPOS UTILIZADOS

1234567

Donde: 1TURBINA FRANCIS

2DINAMMETRO

3RODETE

4MANOMETRO

5FAJA PRONY

6SOPORTE PARA LAS CARGAS

7TACMETRO DIGITAL

TURBINA FRANCIS con las siguientes caractersticas:

Marca:ARMFIELD HYDRAULIC ENGINEERING Co. Ltd. RINGWOOD HARTS, ENGLAND.

Tipo:Ns 36 MK2

Potencia:2,5 BHP

Velocidad:1000 RPM

FRENO DE CINTA PRONY con las siguientes caractersticas:-Dinammetro con rango de carga de 0 a 20 Kg. con divisiones de 100 gr-Faja de cuero (la cual ejerce friccin con el volante)-Cinta reflexiva (para calcular las RPM)-Pesas metlicas de1Kg y 2Kg.

1.2 PROCEDIMIENTO

1Verificando que la vlvula de acceso a la turbina Francis este inicialmente cerrada; ponemos en funcionamiento la bomba de alimentacin.2Se abre la llave del segundo depsito para expulsar el agua, hasta que el nivel este por debajo del vrtice del vertedero.3Abrimos la vlvula que permite el flujo del caudal de agua a la turbina.4Colocamos la correa sobre la volante y echamos agua al interior de sta, para evitar el sobrecalentamiento de la faja.

Luego de colocar agua en la volanteColocando la faja a nivel

5Procedemos a medir las RPM6Aadimos una carga inicial de 1 kg y medimos las RPM, luego tomamos la lectura del dinammetro.7Repetimos el paso 6, variando la carga en forma ascendente; procurando que no frene.

Midiendo las RPMCargas colacadas

1.3 DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO

Radio de la volante:

1.4 CALCULOS Y RESULTADOS

Utilizando la formula calculamos la potencia en cada caso mediante el siguiente artificio para dar utilidad a los datos obtenidos en el laboratorio:

Utilizando esta formula en cada caso obtenemos el valor de la potencia para cada caso:

II.- Medicin de potencia usando un sistema elctrico2.1 EQUIPOS UTILIZADOS:- Tacmetro digital Marca: TESTO 465

- Dinammetro hidrulico:Componentes:Bomba:NEW MAN ELECTRIC MOTORS INCNEW JERSEYTRAME: 215DD1881BBHP:7.5RPM:3600CICLE:60PHASE: 3RATING: CONTVOLTS:220VAMP: 19FACTOR DE SERVICIO: 1.15TIEMPO DE RISEC:40N: P42 4.7 01 SA

Encendedor de bomba:BROOK MOTORS LTDMade in Huddesfierld EnglandTYPE: ZTBVOLTS: 220HP: 7.5AMP`:20 APM. RJS 5671957

Turbina hidrulica:ARMFIELD N O PELTONHIDRAULIC ENGINERING CO LTDARINGWOOD, HANTS, ENGLANDTYPE:N PELTON MK 2HEAD: 1.75FTSERIAL: 2061-61SPEED:1160 RPMOUTPUT: 5-0 BHP

Conmutador electrico:DELIXI DZ47RJ

Balanza mecnica:MARCA SALTER SMITHS MADE IN ENGLAND TO WEIGH20 Kg 1OO gN @ 235 RPMx100Graduado en lb/in2ESCALA 0-25 Kg

- Regla graduada En cm.x STANLES STEEL.

2.2 PROCEDIMIENTOS:

1Primero fijarnos si que el tanque de agua este lleno a una altura prudente.2Encendemos la turbina, hasta una cierta cantidad de r p m.3Encendemos foco a foco para variar la potencia.4Se anota, por foco encendido, el peso y las rpm (este ltimo con ayuda del tacmetro).

Encendiendo los focosLlenando el tanque

5Para calcular el torque exacto, se deba de tener cuidado con que la aguja coincida con la lnea de referencia del parante, esto lo regulamos mediante un tornillo en la parte superior del dinammetro.6Por ltimo se procede a medir el brazo de torque.

Ajustando la aguja para la correcta medicinMidiendo las RPM con el tacmetro

III.-MEDICIN POTENCIA USANDO INDICADOR DE DIAGRAMA

3.1 EQUIPOS UTILIZADOS Cronometro digital Indicador de diagrama Planmetro Regla graduada Dinammetro Tablero de Control de los motores elctricos

Compresor de aire de 2 etapas:

-primera etapa: dimetro interior

-segunda etapa:dimetro interior

Nota: estos datos fueron obtenidos del Manual de Ing. Mecnica III

PROCEDIMIENTO

1Encendemos la fuente de energa (motor elctrico).2Regulamos las vlvulas hasta alcanzar presiones especificadas tanto a la entrada como a la salida del compresor de alta.3Instalamos el indicador de tipo pistn sobre el compresor, previamente hemos colocado un pedazo de papel el cual debe estar bien sujeto al indicador para obtener un diagrama correcto.4En el tablero de control vamos a regular el amperaje y voltaje para el motor elctrico que alimenta al compresor de baja presion con la finalidad de tener una presin de salida constante para usar el tanque de almacenamiento.

Motor de alta presin

5Hacemos la conexin entre el cilindro y el indicador; el cual dispone de un resorte calibrado; simultneamente se hacen las lecturas de las RPM del eje usando el cronometro con el contador de vueltas del equipo y el taqumetro (digital), el voltaje, la intensidad de corriente y el par motor.6Obtenemos entonces el diagrama indicado, los valores de las RPM medidas de las dos maneras (dichos valores deberan ser iguales pero por imprecisiones en las mediciones de los equipos variara un pequeo porcentaje) y voltaje e intensidad (valores claves para saber la potencia de ingreso).7Una vez apagado el equipo medimos el brazo de torque par poder hallar el par motor.8Luego usando el planmetro de brazo trazador medimos el rea del diagrama indicado obtenido (el rea lo obtenemos en cm2).

Manteniendo presin constanteHallando el rea con el planimetro

1.5 DATOS OBTENIDOS EN EL LABORATORIO

Volt (V)I (Am)BL (Kg)N (RPM)N (RPM) cronometro

21010.53.5514511437

K=72 psi/pulgR=0.31 m

rea del diagrama P-V mediante planmetro: Aplanimetro = 4.75 cm2

1.6 CALCULOS Y RESULTADOS

Utilizando el planmetro calculamos el rea del diagrama indicado (P vs V)

206.3k

Del manual de Laboratorio de Ing. Mecnica III:

Calculando la potencia indicada:

CONCLUSIONES

En la practica se trabaja con valores promedio de la velocidad angular ya que el valor que entrega el tacometro es un valor promedio ya que este mismo instrumento tambien arroja los valores maximos y minimos.

En el experimento de freno prony la capacidad de refrigeracuion del agua tiene un limite (la evaporacion) por lo que este metodo se restringe al vcaslculo de potencia bajas.

El uso de elemntos elevctricos reduce el error que se produce al utilizar elementos mecvanicos para el calculo de la potencia.

Sea cual fuese el metodo no existe es imposible obtener valortes exactos de potencia util debido a las diferentes perdias en calor, sonido, rozamiento, etc. Por lo tanto el ingeniero se debe ser conciente del error de calculo para asi minimizarlo en todo lo posible.

Teoricamente la energia, por su principio de consrvacion debe ser la misma sea cual fuese el metodo para medirla.

El instrumento mas eficiente durante la experiencia fue el tacometro (pequea geometria y alta precision) debido a que utiliza componentes electronicos los cuales minimizan el error durante el calculo delas RPM.

RECOMENDACIONRS

Cuando el dinammetro con la faja Prony "zapatean" se recomienda presionar ligeramente el eje de la aguja del dinammetro con el dedo, con el fin de estabilizar la aguja y asi obtener un valor adecuado.

Las pesas deben de ser colocadas aumentando el peso gradual, para evitar el incremento brusco de la fuerza de friccin lo cual conllevaria al freno de la volante, que se detendra por la saturacin.

Por ultimo se recominedo fijar firmemente el papel en el indicador de diagrama para obtener un grafico confiable (diagrama indicado) y as al realizar los calculos correrspondientes se minimizarian los errores.

BIBLIOGRAFA

OBRA:Mecnica de Fluidos y mquinas hidrulicasAUTOR:Ing. Claudio Mataix

OBRA:El laboratorio del ingeniero mecnicoAUTOR :Jesse Seymour Doolittle

OBRA:Manual de Laboratorio de Ingeniera Mecnica IAUTOR:Profesores de Dpto. de Energa - FIM.

Apuntes de internet

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