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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PRIMERA LEY DE LA TERMO DINAMICA

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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PRIMERA LEY DE LA TERMO DINAMICA

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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