Trabajo Práctico n° 2 Monografía TEMA: Potencia y Rendimiento. CURSO: 3S2 INTEGRANTES: -Francisco Portal 80550 -Rodrigo Odino 80147 -Agustín Nabarlaz 79826 -Crespo Tomas 75005 -Denis Huenuman 70746 Fecha: 16/09/2021 2 Índice. Tabla de contenido Índice. 3 Introducción. 5 Potencia 6 Ejemplos 7 Buque Evergreen 7 Tesla Model 3 7 Rolls Royce Trent 800 7 Rendimiento 8 Ejemplos 9 Potencia y Torque 11 Bibliografía 15 3 4 Introducción. En la actualidad las máquinas realizan todo tipo de trabajos, incluidos algunos que serían imposibles para ser realizados por seres humanos. Mejorando la eficiencia en cuanto al tiempo y los esfuerzos aplicados. De ahí que escuchamos los términos potencia y rendimiento en nuestras vidas cotidianas, para desarrollar mejor el tema debemos explicaremos que es potencia, energía, la diferencia entre ambas y ejemplos diarios. 5 Potencia Asocia el trabajo con el tiempo necesario para completarlo. Por ejemplo, el motor que lo impulsa debe tener suficiente potencia para hacer que despegue. O cuando nos planteamos comprar un coche, uno de los factores para tener en cuenta a la hora de elegirlo es la potencia del motor, que determina su uso y costo. La potencia de entrada se puede comparar con la velocidad a la que la máquina realiza el mismo trabajo; por lo tanto, un motor más potente podrá acelerar el vehículo más rápido que un motor menos potente y, por lo tanto, se considera más eficiente. La magnitud que mide la rapidez con que se transfiere la energía se denomina Potencia (P): P= 𝑊 ∆𝑡 𝐽 [𝑊 = 𝑠] La unidad de potencia en el Sistema Internacional es el vatio (W), correspondiente la realización del trabajo de 1 Julio en 1 segundo. Dado que el vatio es una unidad demasiado pequeña como para resultar útil para expresar potencias habituales, se utilizan múltiplos de esta, como el kilovatio (1 kW = 1000 W) o el megavatio (1 MW = 106 W). Otra unidad de uso habitual en motores es el caballo de vapor (CV), siendo la equivalencia 1 CV = 735 W. Actualmente es más utilizado el HP, Horse Power, que suele ser utilizado para medir la potencia de los Motores eléctricos o de combustión interna, este es igual a 1HP= 0,746 kW. Existe una forma alternativa de escribir la potencia en función de la velocidad. Para calcularla, basta recordar cómo se definieron las magnitudes trabajo, (𝑊 = 𝐹 · 𝛥𝑟) y velocidad (𝑣 = ∆𝑟 ) ∆𝑡 para operar sobre la definición de potencia como sigue: 𝑊 P =∆𝑡 = ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ . ∆𝑟 𝐹 ∆𝑡 ⃗⃗⃗⃗ ∆𝑟 = 𝐹 ∆𝑡 = 𝐹 . 𝑣 Esta relación es válida para cualquier objeto en movimiento. 6 Ejemplos Algunos ejemplos de las potencias que generan algunas máquinas se pueden notar que entre las mencionadas existe una gran diferencia de P, se debe a las dimensiones de las máquinas, el combustible utilizado para que funcione, y a los estudios específicos que se le aplica a cada caso para poder lograr esas cifras, obteniendo así el mejor rendimiento posible. Buque Evergreen El motor principal es un diésel de dos tiempos de baja velocidad. Se trata de un motor en línea de 11 cilindros fabricado con licencia Mitsui–MAN B&W 11G95ME-C9. Junto con una hélice de paso fijo, tiene una potencia de 59.300 kW (79.500 caballos de vapor) a 79 rpm y da al barco una velocidad de servicio de 22,8 nudos (42,2 km/h; 26,2 mph). El barco también cuenta con cuatro generadores auxiliares de diésel Yanmar 8EY33LW en línea. Para maniobrar en los puertos de manera lateral, el Ever Given tiene dos propulsores de proa de 2.500 kW (3.400). Tesla Model 3 Tesla Model 3. Tiene dos motores, uno en cada eje, que le proporcionan tracción total y una potencia combinada de 377 kW (513 CV). Acelera de 0 a 100 km/h en 3,7 segundos. La velocidad máxima es de 250 km/h. Rolls Royce Trent 800 Boeing 777-300. Tiene dos motores a propulsión a chorro, cada uno de estos motores montados en las alas proporciona un empuje de 77.000 a 95.000 LBF lo que sería equivalente a 423 kN cada uno. Con un empuje total aproximado de 846 kN. 7 Rendimiento Por definición: ´´Rendimiento, en física y en el campo tecnológico, también expresable como la eficacia energética de un dispositivo, máquina, ciclo termodinámico, etc., expresa el cociente entre: La energía obtenida de su funcionamiento y la energía suministrada o consumida por la máquina o el proceso´´. Que se aplica en varias ocasiones, como, por ejemplo, el rendimiento de una receta en cuanto a porciones, o de un proceso químico. Pero hablando de Potencia, el termino Rendimiento, relaciona el trabajo realizado con el máximo teórico que podría obtenerse. Como cualquier motor, los cohetes necesitan combustible. Cuanto más trabajo por unidad de masa de combustible puedan obtener, menor cantidad de este será necesaria, con lo que se consigue un triple objetivo: es necesario elevar menos peso, ya que los depósitos no deben ser tan grandes, ahorro económico y, finalmente y no por ello menos importante, reducir las emisiones nocivas al medio ambiente. Se denomina rendimiento (η) de una máquina al cociente entre el trabajo útil que proporciona y la energía que se le ha suministrado. Este rendimiento suele expresarse en tanto por ciento: 𝑛= 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑢𝑡𝑖𝑙 𝑇𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑜 .100 Análogamente es posible expresarlo como la relación entre la potencia útil y la potencia teórica de la máquina: 𝑛= 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑢𝑡𝑖𝑙 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 .100 Dado que, como se ha señalado la energía suministrada siempre será mayor que el trabajo útil obtenido, el rendimiento siempre será menor del 100% y su valor estará comprendido entre 0% (cuando toda la energía sea disipada y no se obtenga ningún trabajo) y 100% (si la conversión es total y toda la energía se transforma en trabajo). En 8 la vida real una máquina que realice trabajo con un rendimiento del 100% no es posible, pues siempre se producen pérdidas por disipación de calor. El rendimiento de una máquina será siempre un número menor de uno (0<R<1). Para expresarlo en % se multiplica su valor por 100. Representa el "tanto por ciento" conseguido del trabajo total suministrado. Las máquinas transforman un tipo de energía en otra (calor en energía cinética, eléctrica, etc.) y sus rendimientos se alejan del 100% debido a los rozamientos de sus piezas y a la imposibilidad de aprovechar todo el calor para transformarlo en energía mecánica en los motores (imposibilidad de la máquina ideal). En Termodinámica se define el rendimiento en función del calor o de la temperatura de los focos frío y caliente de una máquina térmica. Pero a diferencia de estas máquinas motorizadas, están las máquinas simples, que permiten obtener un rendimiento del 100 %. Reciben energía mecánica y entregan energía mecánica (no cambian el tipo de energía) y no tienen mecanismos. Un ejemplo claro, es la polea. Ejemplos Los valores del rendimiento de los distintos tipos de máquinas son muy variables, dependiendo fundamentalmente del tipo de máquina que consideremos: ● ● ● ● ● ● Un motor eléctrico: 75% Un motor de gasolina: 27% Una bombilla incandescente: 5% Un motor a gasoil: 40% Una pila alcalina: 90% Un fluorescente: 20% 9 La eficiencia promedio de todas las centrales térmicas que funcionan con combustibles fósiles (carbón y gas) es de alrededor del 33%. Las tecnologías de generación basadas en combustibles fósiles más avanzadas pueden lograr eficiencias del 49% utilizando carbón y más del 60% utilizando gas. 10 Potencia y Torque Como ya dijimos, cuando hablamos de potencia (𝑃 = 𝑊/𝑡) interviene el Trabajo (𝑊 = 𝐹. 𝑑), que se puede considerar como torque cuando se aplica una dicha fuerzas y gira respecto a un punto, siendo este el caso de un eje. Esto sucede para el caso de un motor, en el caso de la Fuerza ejerce en un pistón y biela, por la distancia del agarre de la biela al centro del cigüeñal. Además, sabemos que la velocidad rotacional de un motor se mide en rpm (cuyas unidades son 1/min). Entonces si multiplicamos el torque por las R.P.M del motor tenemos 𝐹. 𝑑/𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 obtenemos la Potencia. Como ejemplo, la potencia es la que permite a un auto mantener la velocidad de forma constante. En todos los motores de combustión interna el Torque no es constante, depende de la velocidad de giro del motor (rpm). Normalmente inicia con un torque muy bajo, aumenta paulatinamente hasta alcanzar un máximo y posteriormente vuelve a caer. La potencia al ser el resultado de la multiplicación del torque y las RPM tiene un comportamiento similar, aunque la potencia máxima se alcanza a una mayor velocidad de giro del motor debido a que a pesar de que el torque ya no se encuentra en su máximo éste es compensado por el aumento de la velocidad del motor, la potencia finalmente cae cuando el torque es definitivamente muy bajo y no puede ser compensado por la velocidad de giro del motor. Desde el punto de vista del conductor, el Torque es el responsable de empujar el vehículo o bien de acelerarlo. El Torque es esa sensación en el respaldo del asiento al pisar el acelerador. Si estoy con el vehículo parado en un semáforo y cambia a verde el semáforo, el vehículo se acelera, el TORQUE es el que hace todo el trabajo para poner el vehículo en marcha. Manejando en zonas montañosas y/o en ciudad con mucho tráfico se desea torque. Manejando en autopistas o pistas de carrera se desea potencia. El torque máximo se alcanza en aquel punto del tacómetro en donde la sensación de aceleración es máxima. Si se quiere remolcar una carga o subir una cuesta, se recomienda mantener el motor en su régimen de giro de máximo torque. La potencia 11 no está ligada directamente con la aceleración del vehículo, sino más bien, es una medida de cuánto dura la aceleración o esa sensación de empuje. Una vez que se ha alcanzado el torque máximo el vehículo empieza a acelerar contundentemente según la curva de potencia hasta cierto punto en el tacómetro en donde el vehículo ya no acelera con la misma intensidad, el punto en el tacómetro hasta el cual el vehículo logra acelerar contundentemente es el de máxima potencia. Si usted quiere adelantarse a otro vehículo en una ruta se recomienda colocar una marcha tal que el tacómetro caiga en el punto de máximo torque y de ahí acelerar hasta el punto de máxima potencia. (claro que esto lo realiza un conductor experimentado) Para ejemplificar, este diagrama resume lo explicado anteriormente en el caso de un Nissan Sentra: Donde la elasticidad de un motor es la capacidad de respuesta de este ante las diferentes condiciones de funcionamiento. Por ejemplo, si se circula por un terreno que tiene una superficie plana y de repente se toma una pendiente, dependiendo del tipo de motor será necesario o no reducir de marcha. Cuanto mayor sea la elasticidad del motor mayor serán las posibilidades del vehículo de superar la pendiente sin reducir de marcha. 12 Otro ejemplo, es el caso de un Motor eléctrico, podemos saber sus prestaciones según su ficha técnica, por ejemplo, si un motor electico posee una potencia de 1HP y 1500 rpm; según la formula podemos calcular el par motor o toque: Entonces, si: 𝑃 = 𝑇. ꙍ 1 𝐻𝑃 = 745.7 𝑊 = 𝑇. 1500𝑟𝑝𝑚. 2𝜋/60 𝑇 = 4,74 𝑁𝑚 En cuanto a otros tipos de motores según el funcionamiento, rendimiento (mencionados antes) y tipo de combustible podemos conocer su potencia. Por ejemplo: -Poder calorífico nafta: 9.14 KWH/L Motor Naftero: 2.285 KWH/L -Poder calorífico nafta aeronáutica (100LL): 9.14 KWH/L � Motor de Avión: 3.75 KWH/L -Poder calorífico gasoil: 10 KWH/L Motor Diesel: 4 KWH/L -Poder calorífico bioetanol: 6.28 KWH/L Motor Naftero con Bioetanol: 1.70 KWH/L 13 Algunos cálculos. Mercedes W07 hybrid: Datos: 𝑃 = 𝑇 . ꙍ = 950𝐶𝑉 P = 950CV 𝑇= ꙍ = 15000rpm 1000𝐽 950𝐶𝑉 0.7457𝐾𝑤 𝑃 950𝐶𝑉 1𝐶𝑉 𝑠 = = 2𝜋 ꙍ 15000𝑟𝑝𝑚 15000𝑟𝑝𝑚 60𝑠 𝑇 = 450,991 𝑁𝑚 ≈ 451𝑁𝑚 Como este es un auto de carrera fórmula 1, lo que uno busca es mayor potencia y no así torque, es por eso que a esas revoluciones nos da un torque no tan grande (en comparación a uno normal). 14 Bibliografía http://educativa.catedu.es/44700165/aula/archivos/repositorio/1000/1156/html/22_r endimiento_de_una_mquina.html https://es.wikipedia.org/wiki/Motores_de_F%C3%B3rmula_1#:~:text=Ferrari%20con% 20su%20035%2F5,492%20kW)%20a%2013.000%20rpm. http://portfoliofisica1.blogspot.com/2017/04/potencia-y-rendimiento.html https://www.autocasion.com/marcas/tesla/model-3-berlinas/model-3-long-rangedual-motor-performance-awd-4-puertas-83615?year=2018 https://www.rolls-royce.com/products-and-services/civil-aerospace/airlines/trent800.aspx#section-aftermarket-support-and-training https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h6e/h82/WEG-motores-electricosguia-de-especificacion-50039910-brochure-spanish-web.pdf https://es.wikipedia.org/wiki/Motores_de_F%C3%B3rmula_1 15
