Foros de SóloIngeniería

- 04 Sep 2010, 20:48 #237377

Hola a todos,

Si alguien pudiera ayudarme, a lo mejor no hago el ridículo en un futuro frente a mis compañeros

He colaborado con unas personas de mi empresa en el desarrollo de un motor hidráulico a pistones y cigüeñal análogo a los motores de explosión, pero en vez de combustible se utiliza agua a presión, sobre el que han obtenido la patente.

Como no estoy muy versado en este tipo de cálculos, me resulta un poco extraño lo siguiente:

Imaginemos una fuente de agua cuyo nivel está situado a 100 metros de altura, por lo que tenemos una presión de 10 kg/cm2, que en el punto de contacto con un pistón de 1.000 cm2 lo somete a un empuje cuya fuerza supone 10.000 kg a lo largo de su recorrido. Este pistón tiene una carrera dentro del cilindro de 0,5 metros y sólo es motriz en una dirección, es decir, mientras recibe el citado empuje y está unido a una biela conectada a un cigüeñal de 0,25 metros de radio entre los ejes de la muñequilla y el eje central. Como el área del pistón es de 1000 cm2 y la carrera es de 0,5 metros, el volumen de agua utilizado es de 50 litros por ciclo.

Para evitar cálculos más complejos que no vienen al caso, imaginemos todo en un mundo ideal donde no hay pérdidas de ningún tipo.

Al ser un motor alternativo con cigüeñal, calculamos la potencia como en los motores de explosión.

De este modo tenemos:

M= 10 x 1000 x 9.81 x 0,25 = 24525 N.m

Este cigüeñal gira a 40 RPM, por lo que la potencia será:

(24525 x (2PI) x 40)/60 = 102,73 kw

pero como sólo tenemos fuerza motriz a lo largo de una semicircunferencia, es decir: 0,25 x 3,1416, dividimos entre 2 el anterior resultado:

De este modo tenemos:

102,73/2 = 51,36 kw de potencia al freno y hasta aquí todo bien, salvo que mi planteamiento de cálculo no sea correcto.

SI ello es correcto, tenemos que el volumen de agua de 50 litros por ciclo a 40 RPM supone: 50 x 40/60 = 33,33 litros por segundo o lo que es lo mismo: 0,0333 m3/s.

Si ahora hallamos la potencia necesaria para devolver a su origen de 100 metros más alto este caudal que hemos utilizado en un tiempo de un segundo, tenemos:

0,0333 x 9,81 x 100 = 32,67 kw =====> 32,67 kw frente a los 51,36 kw que nos daba el motor, lo que no me cuadra, ya que tendríamos más potencia generada que la correspondiente a la energía potencial de origen.

¿Dónde está el fallo?

¿Tiene algo que ver el factor multiplicador del brazo de palanca de 0,25 metros? Ya sé que ello implica perder velocidad, pero a la postre, el agua que se ha utilizado es la misma: 33,33 l/s ó 2.000 litros al minuto en 40 vueltas y no me cuadra, ya que si esto fuera así habríamos descubierto la piedra filosofal, lo que dudo mucho!

Un saludo
Antonio

Última edición por Antoniogomez el 04 Sep 2010, 21:15, editado 2 veces en total

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- 04 Sep 2010, 21:07 #237379

Sin leer mucho tu mensaje, el motor hidráulico lleva un par de siglos inventado, mas o menos.

Las bombas de agua de los molinos del oeste ya funcionaban así.

Y en hidráulica de aceite, que al final es hidráulica también, es de común aplicación.

Saludos,

Luis

Edito: tu error parte de la manera de calcular la potencia del motor.
El brazo de aplicación no es constante, sino que varía con el ángulo de la muñequilla. Hay una fórmula bastante larga, con senos y cosenos de por medio, que te da el par en función del ángulo.

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- 04 Sep 2010, 21:29 #237384

Luis,

Gracias por tu amable respuesta.

Ya entiendo que debe estar el error en algún sitio, pero por más que he buscado, la única fórmula que encuentro para conocer la potencia en W de un motor es:
fuerza x área x 9,81 x radio x 2PI x rpm dividido entre 60

Si se calcula con la fórmula para CV, da el mismo resultado, pero no he visto ninguna otra fórmula y me gustaría saber dónde está exactamente el error.

Un saludo

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- 04 Sep 2010, 21:33 #237385

Sin leer mucho tu mensaje, el motor hidráulico lleva un par de siglos inventado, mas o menos.

Las bombas de agua de los molinos del oeste ya funcionaban así.

Y en hidráulica de aceite, que al final es hidráulica también, es de común aplicación.

Saludos,

Luis

Edito: tu error parte de la manera de calcular la potencia del motor.
El brazo de aplicación no es constante, sino que varía con el ángulo de la muñequilla. Hay una fórmula bastante larga, con senos y cosenos de por medio, que te da el par en función del ángulo.

Asi es. Ni en el momento mas favorable de aplicación de la fuerza, que seria con la muñequilla a 90º se transmitiría la fuerza del piston integramente al cigueñal, ya que la biela formaria un angulo con el cigueñal. Saludos

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"La calidad perdura una vez olvidado el precio" Henry Royce

- 04 Sep 2010, 21:40 #237387

Ya veo que van por ahí los tiros.

No obstante ¿conoce alguno de vosotros la fórmula correcta para calcular exactamente la potencia con los datos facilitados al principio?

Gracias por vuestro interés,

Antonio

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- 05 Sep 2010, 09:24 #237411

Hay que hacerlo por integración, ya que, como te han dicho, la fuerza que transmite el pistón al cigueñal depende del ángulo de la biela con el pistón y del ángulo de muñequilla. Si te haces un dibujo y haces una descomposición de fuerzas lo verás claro. Eso lo partes en trocitos pequeños, como de 5º o 10º a lo sumo, y corres un programa de integración.

Recuerdo que fue un trabajo de estos obligatorios que luego no cuentan para nada en una asignatura de 4º. El objetivo era aprender a programar un programilla de cálculo iterativo de ecuaciones.

Para saber más: Enlace



saludos,

Luis

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- 06 Sep 2010, 22:38 #237692

Amigos del debate e interesados en el asunto,

Pues he estado hablando con uno de los "cerebritos" que han inventado el artilugio este y me dicen que, claro, como es obvio, en toda transmisión siempre se pierde parte de la fuerza en el intercambio.

Sin embargo dice que, ya que se trata de mover un alternador donde se puede alcanzar la velocidad de régimen en un tiempo no necesariamente urgente, al final se trata de potencia y que por muchas pérdidas de fuerza que haya, el resultado es que a menor velocidad, menor utilización de agua, ya que los pistones en caso de parada total actuarían como una válvula desplazante de cierre total y por tanto se puede intercambiar el 100% de la energía de cada gota de agua sin perder rendimiento en su relación uso/potencia.

Es decir, si la suma del par resistente del alternador, eficiencia del mismo, pérdidas de carga, pérdidas mecánicas, etc, etc. redundan en una disminución de la velocidad en pongamos un 80%, esto significa que el uso de agua sólo sería del 20%, con lo que la relación sería siempre favorable en torno a 1,57 mayor, que es constante en cada situación, por tanto, lo dicho: a más potencia, mayor velocidad y mayor flujo de agua y viceversa.

La pérdida de carga en las tuberías está muy relacionada con la velocidad, así, según Colebrook - White, una conducción de un determinado material de ø 200 mm, 2 km de larga, desnivel de 100 metros y caudal de 50 l/s, tiene una pérdida de carga de 19,14 m.c.a. Si agrandamos el diámetro de la tubería al doble, 400 mm, entonces la pérdida de carga es de sólo 0,66 m.c.a., con lo que parece que lo que dice este hombre es coherente.

Por otra parte, yo también he "discurrido" que, aunque no creo que este aparatejo se invente la energía, para mí corto entender algo desconocido tiene que haber, porque por mucha fuerza que se pierda en la transmisión vía muñequilla del cigüeñal por las pérdidas angulares, lo obtenido siempre será mayor que si actuáramos sobre, por ejemplo, un destornillador fino sobre el eje central del cigüeñal… digo yo!

En fin, que estoy hecho un lío ¡habrán inventado el petróleo estos tíos?

Un saludo a todos
Antonio

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- 07 Sep 2010, 07:22 #237713

Amigos del debate e interesados en el asunto,

Pues he estado hablando con uno de los "cerebritos" que han inventado el artilugio este y me dicen que, claro, como es obvio, en toda transmisión siempre se pierde parte de la fuerza en el intercambio.

Sin embargo dice que, ya que se trata de mover un alternador donde se puede alcanzar la velocidad de régimen en un tiempo no necesariamente urgente, al final se trata de potencia y que por muchas pérdidas de fuerza que haya, el resultado es que a menor velocidad, menor utilización de agua, ya que los pistones en caso de parada total actuarían como una válvula desplazante de cierre total y por tanto se puede intercambiar el 100% de la energía de cada gota de agua sin perder rendimiento en su relación uso/potencia.

Eso es simplemente falso.

Me da igual que no pierdas el potencial del agua que tienes detrás. La fuerza instantánea de cada gota de agua al entrar al pistón depende de la posición del cigüeñal, sea para mover un alternador o una carreta llena de elefantes.

Es decir, si la suma del par resistente del alternador, eficiencia del mismo, pérdidas de carga, pérdidas mecánicas, etc, etc. redundan en una disminución de la velocidad en pongamos un 80%, esto significa que el uso de agua sólo sería del 20%, con lo que la relación sería siempre favorable en torno a 1,57 mayor, que es constante en cada situación, por tanto, lo dicho: a más potencia, mayor velocidad y mayor flujo de agua y viceversa.

Eso es jugar con los números. En ese instante, tendrás una potencia un 80% inferior a la calculada. Después, con el agua que tienes encima, posiblemente seas capaz de sacarle el 100% (a ver qué valiente lo consigue), pero la potencia en cada instante varía y siempre a menos. No se puede considerar un sistema pensando en lo que producirá después o lo que puede producir, sino en lo que produce en cada momento. Si pensamos sólo en la capacidad todos los sistemas serían perfectos.

La pérdida de carga en las tuberías está muy relacionada con la velocidad, así, según Colebrook - White, una conducción de un determinado material de ø 200 mm, 2 km de larga, desnivel de 100 metros y caudal de 50 l/s, tiene una pérdida de carga de 19,14 m.c.a. Si agrandamos el diámetro de la tubería al doble, 400 mm, entonces la pérdida de carga es de sólo 0,66 m.c.a., con lo que parece que lo que dice este hombre es coherente.

Lo malo de trabajar con agua, válvulas, pistones, ... es que es sumamente fácil encontrarte con efectos como el golpe de ariete, que casualmente siempre juegan en contra de lo que uno quiere y desea.

Por otra parte, yo también he "discurrido" que, aunque no creo que este aparatejo se invente la energía, para mí corto entender algo desconocido tiene que haber, porque por mucha fuerza que se pierda en la transmisión vía muñequilla del cigüeñal por las pérdidas angulares, lo obtenido siempre será mayor que si actuáramos sobre, por ejemplo, un destornillador fino sobre el eje central del cigüeñal… digo yo!

Sin duda dará más fuerza que sobre un destornillador. La pregunta es, ¿Cuánto dará realmente? ¿Será suficiente para hacerlo interesante?

En fin, que estoy hecho un lío ¡habrán inventado el petróleo estos tíos?

Un saludo a todos
Antonio[/quote]
Y no, no habrán inventado el petróleo aunque, todo hay que decirlo, siempre es interesante ver nuevas ideas.

Con respecto a tu pregunta inicial. Como te han dicho, la fuerza sobre el cigüeñal depende de la posición angular del mismo. Tú sólo haces el cálculo considerando la fuerza de empuje total del cilindro y perpendicular al diámetro horizontal. No sólo es falso porque el resto de puntos será más desfavorable, sino que también lo es porque nunca, en ningún punto, tendrás ese máximo. Al utilizar un mecanismo biela-manivela siempre tendrás un ángulo que te reducirá dicha fuerza pues la perderás en algún nudo. Como te han dicho, la fuerza no es constante y varía según el ángulo de la manivela, siendo nulo el esfuerzo al principio y al final del movimiento, por lo que tus valores serán muy inferiores a los que has calculado.

Y todo eso despreciando pérdidas. Las pérdidas en sistemas hidráulicos son siempre importantes y con agua los problemas se incrementan notablemente. El agua como fluido hidráulico deja mucho que desear.

Un apunte. Si en un cálculo, cualquiera que hagas, te sale que la energía que obtienes es mayor que la que necesitas, directamente destruye el cálculo. Está mal. El movimiento perpetuo no existe.

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"Arte sin ingeniería es soñar, ingeniería sin arte es calcular"
"Yo te lo explico, porque no me cuesta nada y además es mi obligación" Reivindicador Dixit
"Esto es teóricamente posible pero prácticamente improbable" Mecagüenlá dixit
"En teoría no hay diferencia entre teoría y práctica. En la práctica, sí"

- 07 Sep 2010, 12:26 #237786

Jcas, gracias por tu amplia respuesta.

Naturalmente no creo nada de lo del movimiento continuo ¡faltaría más!

Ahora estoy en el "tajo" y no puedo entretenerme mucho, pero he de decirte que tienes toda la razón en lo que dices, por ello he planteado este asunto aquí, porque no me cuadra. No obstante, a esta gente se les ve muy contentos con lo que han hecho y no son idiotas, son tres ingenieros que saben lo que hacen, por ello estoy confundido y, para ser justos, realmente lo que dicen es que ese motor es como mínimo un 30% más eficiente que cualquier turbina y no se ve afectado por el golpe de ariete, sobre lo cual, también han desarrollado otro modelo que lo aprovecha, pero dicen que es más caro de construir.

Esto significa que si alguien está "liando" la cosa soy yo, pero lo hago en base a que los fabricantes de coches nos dan datos parecidos para calcular la potencia de sus motores, lo que no cuadra con la realidad.

Un saludo,
Antonio

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- 07 Sep 2010, 13:10 #237798

Amigo nuestro,

Esto que nos comentas es cada vez mas hilarante, perdona que sea así de franco...jejeje.

Digamos que una buena rueda pelton puede tener una eficiencia del 80% o superior. Si lo mejoran un 30%, eso es un 110%, luego, efectivamente, hemos inventado el movil perpetuo, y además de segunda especie.. jajjajaja..

Con lo que, los sesudos que comentas me temo mucho que NO tienen ni idea de por donde les da el aire. De hecho, dudaría incluso que fuesen sesudos, porque poco ingeniero es aquel que no obedece las leyes de la termodinámica (LISA! te he dicho que en esta casa obedecemos las leyes de la termodinámica... )

La pólvora ya la inventaron hace unos cuantos siglos.. jejeje.

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- 07 Sep 2010, 13:55 #237809

No estarán buscando personas para invertir dinero en su invento, ¿no?

Es que tengo un conocido que afirma tener un amigo "muy muy listo", que ha inventado varias cosas con las que espera forrarse (pero curiosamente, busca inversores), y algunas de ellas violan las leyes de la termodinámica.

Son, simplemente, tecnotimadores.

Sería interesante hacer un hilo sobre ellos.

Es curioso porque algunos consiguen algún artículo extenso en la prensa nacional... y tiempo después, no se vuelve a saber nada.

Cosas como el generador de hidrógeno a partir de agua para motores (que consiste básicamente en un tubo), como los imanes para orientar las moléculas de combustible (combustible que está formado por moléculas apolares...), como las pastillitas que se añaden al combustible y aumentan un 25% la eficiencia, etc...


No son más que versiones modernas del antiguo buhonero que iba por los pueblos vendiendo su tónico milagroso.

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Audentes Fortuna Iuvat

- 07 Sep 2010, 15:36 #237815

Amigos del debate e interesados en el asunto,

Pues he estado hablando con uno de los "cerebritos" que han inventado el artilugio este y me dicen que, claro, como es obvio, en toda transmisión siempre se pierde parte de la fuerza en el intercambio.

Sin embargo dice que, ya que se trata de mover un alternador donde se puede alcanzar la velocidad de régimen en un tiempo no necesariamente urgente, al final se trata de potencia y que por muchas pérdidas de fuerza que haya, el resultado es que a menor velocidad, menor utilización de agua, ya que los pistones en caso de parada total actuarían como una válvula desplazante de cierre total y por tanto se puede intercambiar el 100% de la energía de cada gota de agua sin perder rendimiento en su relación uso/potencia.

Es decir, si la suma del par resistente del alternador, eficiencia del mismo, pérdidas de carga, pérdidas mecánicas, etc, etc. redundan en una disminución de la velocidad en pongamos un 80%, esto significa que el uso de agua sólo sería del 20%, con lo que la relación sería siempre favorable en torno a 1,57 mayor, que es constante en cada situación, por tanto, lo dicho: a más potencia, mayor velocidad y mayor flujo de agua y viceversa.

La pérdida de carga en las tuberías está muy relacionada con la velocidad, así, según Colebrook - White, una conducción de un determinado material de ø 200 mm, 2 km de larga, desnivel de 100 metros y caudal de 50 l/s, tiene una pérdida de carga de 19,14 m.c.a. Si agrandamos el diámetro de la tubería al doble, 400 mm, entonces la pérdida de carga es de sólo 0,66 m.c.a., con lo que parece que lo que dice este hombre es coherente.

Por otra parte, yo también he "discurrido" que, aunque no creo que este aparatejo se invente la energía, para mí corto entender algo desconocido tiene que haber, porque por mucha fuerza que se pierda en la transmisión vía muñequilla del cigüeñal por las pérdidas angulares, lo obtenido siempre será mayor que si actuáramos sobre, por ejemplo, un destornillador fino sobre el eje central del cigüeñal… digo yo!

En fin, que estoy hecho un lío ¡habrán inventado el petróleo estos tíos?

Un saludo a todos
Antonio

Cierto es que es proporcional el consumo de agua, o lo que es lo mismo de energía potencial de la misma con la velocidad lineal del pistón, que a su vez esta directamente relaccionado con el par que transmite al cigueñal, tendréis que aumentar mucho el numero de pistones para reducir los aciclismos del cigueñal al mínimo, pero de todas formas habrá mucha perdida de carga en válvulas y conductos, en el mecanismo de distribución, en la empaquetadura de pistones y por ultimo en el conjunto pistón, biela, cigueñal. Por mi taller han pasado dos descubridores de polvora, los dos se arruinaron (el ultimo me debe el trabajo).
Me gustaría saber como termina esta historia saludos.

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"La calidad perdura una vez olvidado el precio" Henry Royce

- 07 Sep 2010, 18:18 #237863

Me gustaría saber como termina esta historia saludos.

Eso te lo digo yo.

O con un proyecto en una papelera o con alguien con el bolsillo vacío.

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"Arte sin ingeniería es soñar, ingeniería sin arte es calcular"
"Yo te lo explico, porque no me cuesta nada y además es mi obligación" Reivindicador Dixit
"Esto es teóricamente posible pero prácticamente improbable" Mecagüenlá dixit
"En teoría no hay diferencia entre teoría y práctica. En la práctica, sí"

- 07 Sep 2010, 19:45 #237885

LuisM,

Pues sí, parece algo hilarante este asunto, por eso lo he planteado aquí, porque me rechina en los "adentros" y tal vez tenga razón Jose-mac y todo resulte en una búsqueda de pasta gansa, pero como me gusta ser respetuoso con la gente, hasta que descubro que no actúa con honradez, trato de informarme y si ello ocurre, automáticamente dejan de tener valor para mí.

Bueno, tengo que decir que lo del 30% más de eficiencia no es que se sume al 80% de una Pelton, Kaplan o Francis, sino que dentro de ese nivel de eficiencia ellos son un 30% más eficientes, al menos yo lo entendí así, porque llegar al 110% … no parece muy coherente!

De todas formas estoy encantado con todos vosotros por el interés que habéis mostrado.

Un saludo a todos,
Antonio

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- 08 Sep 2010, 00:22 #237918

Se me ocurren varias cosas para decir que este invento es una barbaridad. Pero solo te voy a decir que las perdidas mecanicas debidas a utilizar un cigüeñal no son ni mucho menos nada despreciables, se te va la energía en rozamiento.
Si desprecias esto ya estamos hablando por hablar pero bueno, sigamos. Si al final de la trayectoria del agua no haces como en la turbina pelton, y transformas en energia cinética con una tobera, sino que pretendes aprovechar la energía de presión tienes dos problemas:
1.- Con agua, es imposible que consigas sellar cilindro y piston. Dime que juntas van a usar los cerebritos.
2.- ¿Como reaccionas a las demandas de potencia? En la pelton es facil, abres o cierras inyectores. A ti solo te quedaría tener unos cuantos pistones más de reserva (mas perdidas mecánicas).
Por ultimo, para clarificarte algo: 100 litros de agua a 100 metros de altura tienen siempre la misma energia. Potencia es energia por unidad de tiempo. Es decir, lo ideal es que esa energía sea convertida en poco tiempo. Si tu llenas los cilindros muy despacito, aqui y en Saturno vas a tener muy poca potencia. Puede que el rendimiento sea altisimo pero a costa de hacer la transformación de energia muy despacio (poca potencia).
Todo lo que te he dicho ya te lo han bien apuntado Jcas y Tornero, desde otro punto de vista.

En fin, el hilo es interesante al menos, porque te hace pensar para demostrar lo que el sentido común te indica desde un principio.

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Si ocurre algo malo, bebemos para olvidar, si ocurre algo bueno, bebemos para celebrarlo, y si no pasa nada, bebemos para que pase algo.