Guía 440233 IEM v PDF

Preview

Summary

Download Guía 440233 IEM v PDF

Description

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Asignatura: Termodinámica 440233

Semestre I 2019

Guía de Laboratorios

Guía de Laboratorios Termodinámica 440233 I Semestre 2019

Área de Termofluidos www.dimec.ubiobio.cl/termofluidos www.ubiobio.cl v.2 Página_1

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Guía de Laboratorios

Prefacio El laboratorio de Termodinámica, complementa la experiencia de aprendizaje para la teoría. Los ejercicios de laboratorio permiten la oportunidad del estudio directo del comportamiento de variables en procesos termodinámicos como presión y temperatura además propiedades como densidad, viscosidad, etc. de las sustancias de trabajo (agua, aire, combustibles, lubricantes). Algunos de los experimentos exponen algunos elementos o material no presentado explícitamente en teoría, pero usted puede realizar la respectiva unión de estos elementos. Utilice el laboratorio como una oportunidad de enriquecer su conocimiento en mediciones básicas y propiedades de sustancias. Los siguientes “Objetivos de Aprendizaje” para el laboratorio lo guiarán en tomar un rol activo en su educación. 1.- Familiarización con el comportamiento real en procesos termodinámicos tales como compresión, flujos de calor, sistemas bifásicos (líquido-gas), etc. Además de aprender a operar el equipamiento de laboratorio con propiedad y de manera segura. 2.- Desarrollar y reforzar la capacidad de lectura en instrumentación . Lectura de manómetros, medidores de temperatura, densidad, dinamómetros, balanzas, etc. Medir eventos en unidades de tiempo cronometrados. Deberá además ser capaz de medir cantidades con el máximo de precisión utilizando los instrumentos provistos en el laboratorio. 3.- Desarrollar y reforzar la capacidad de observación y documentación. Debe desarrollar buenos hábitos en la organización y recolección de datos en terreno usando un cuaderno o block de notas y tener la precaución con esos datos pues serán analizados después de realizado el ensayo. Deberá hacer un bosquejo de cada uno de los equipos físicos usados en cada experimento. Poner principal atención en la mecánica específica y los detalles operacionales que permitan al equipo funcionar de la manera para la que fue diseñado. Debe ser capaz de listar y describir los pasos usados para obtener las mediciones necesarias. Debe ser capaz de identificar cualquier acción que permita un correcto funcionamiento del equipo y correctos resultados del experimento. De la misma forma debe ser capaz de identificar cualquier acción que contribuya a resultados no deseados o que impliquen errores. 4.- Desarrollar habilidades para presentar un informe escrito. Usted creará informes para documentar su trabajo en el laboratorio. Usted debe usar escritura formal comúnmente usada en documentación técnica en ingeniería. Su informe debe ser completo y conciso. Para desarrollar el informe , debe desarrollar un claro conocimiento del experimento de laboratorio y comunicar ese conocimiento en el docuemento escrito.

Página_2

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Semestre I 2019

Guía de Laboratorios

Contenidos 1

Medición de Temperaturas

5

2

Medición de Presión y densidad

10

3

Equivalente Mecánico del Calor

18

4

Título del Vapor

23

6

Tablas y gráficos

27

7

Anexo A: Informe Laboratorio

35 38

Página_4

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Guía de Laboratorios

Semestre I 2019

Experimento 1 Medición de Temperaturas

1.- OBJETIVO Cuantificar el flujo de calor sensible durante un ensayo de Medición de Temperaturas. Comparar y analizar la Potencia suministrada para producir dicho flujo de calor sensible.

2.- PRINCIPIOS TEÓRICOS 2.1.- Temperatura Temperatura es una característica del estado térmico de un cuerpo o sustancia referida a su capacidad de comunicar calor a otros cuerpos. Si es absoluta se mide en Kelvin o grados Rankine y si es relativa en grados Celcius o Fahrenheit respectivamente. Escala Fahrenheit: - Absoluta: Grados Rankine (°R) - Relativa : Grados Fahrenheit (°F) °R = °F+ 460 ; en rigor: °R = °F + 459.69 Escala Centígrada (Celcius): - Absoluta: Kelvine (K) - Relativa: Grados Celcius (°C) K = °C + 273 ; en rigor : K =°C + 273.16 Relación escalas Centígrada y Fahrenheit: °C = 5/9 (°F - 32) Para la medición de temperaturas se aprovecha la dilatación producida en el material o sustancia considerada, por efecto del estado teórico del cuerpo medido esencialmente.

Página_5

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Semestre I 2019

Guía de Laboratorios 2.2. Calibración de Termómetros:

a) Calibración directa: consiste en determinar los valores de la magnitud termométrica (altura de la columna de líquido, Mercurio), en los diferentes puntos fijos. b) Calibración indirecta: consiste en comparar el termómetro a calibrar con un termómetro patrón. 2.3. Fuentes de error en la medición de temperaturas con termómetros: - Si no se adopta precauciones, el elemento sensible intercambia calor por radiación y conducción con el ambiente. - Si la temperatura de la superficie a medir difiere mucho de la temperatura ambiente existe un gradiente apreciable de temperatura dentro del sólido cuya temperatura superficial se mide, etc. 3. - DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Se emplea un baño termostático para la calibración de los termómetros, este es controlado con un agitador. Consta de un recipiente contenedor aislado, el líquido del baño (alcohol pentano o toluol para temperatura menor a 0°C, agua hasta 96°C, aceites para temperatura mayores), pantalla y calefactor. Otros accesorios del equipo, son: a) Termómetro standard (patrón) con columna de mercurio. b) Termómetros a calibrar (de mercurio, de alcohol y bimetálico).

Página_6

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Semestre I 2019

Guía de Laboratorios 4. - PROCEDIMIENTO

4.1. Realizar las conexiones del circuito. 4.2. Fijar los termómetros en el baño termostático según especificaciones de inmersión. 4.3. Fijar la temperatura del baño termostático por medio del termómetro standard ( patrón) 4.4. Poner en funcionamiento el sistema y esperar un intervalo de tiempo hasta lograr el equilibrio térmico. 4.5. Registrar las temperaturas de todos los termómetros. 4.6. Fijar una nueva temperatura en el baño termostático y realizar la nueva lectura. 4.7. El procedimiento de los puntos 4.5 y 4.6 se repetirá un numero definido de veces.

Las temperaturas de trabajo se darán durante el ensayo. 5.- RESULTADOS 5.1. Confeccionar gráficos de corrección para cada termómetro (Error absoluto v/s Temp. indicada). 5.2. Confeccionar curvas de calibración para cada termómetro (Temp. indicada v/s Temp. verdadera). 5.3. Analizar datos, gráficos y registrar los termómetros descalibrados. 5.4. Desarrollar algún tema sugerido por el profesor.

Página_7

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Semestre I 2019

Guía de Laboratorios

6.- GRAFICOS Error absoluto v/s Temperatura Indicada Error Absoluto

T1

K

1

Donde: T1: Termómetro 1 K1: Constante de calibración 1

Temperatura Indicada ºC

Temperatura Indicada v/s Temperatura Patrón

Temperatura Indicada ºC T1 Tp

T2

K2 K1

45°

45°

Temperatura Patrón ºC

Donde: Tp: Termómetro Patrón T1: Termómetro 1 T2: Termómetro 2 K1: Constante de calibración 1 K2: Constante de calibración 2

Página_8

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Semestre I 2019

Guía de Laboratorios 7.- TABLAS DE DATOS Termómetro Patrón (ºC)

Mediciones

Temperatura Indicada (ºC) Termómetro 1 Termómetro 2 Termómetro 3 Termómetro 4

1 2 3 4 5 6 8.- TABLAS DE RESULTADOS

Mediciones

Termómetro 1

Termómetro 2

Termómetro 3

Termómetro 4

Eabs.

Eabs.

Eabs.

Eabs.

Eporc.

Eporc.

Eporc.

Eporc.

1 2 3 4 5 6 9.- FORMULAS Error Absoluto E absoluto = ∣T indicada − T patron∣

Constante de Calibración K =

 E absoluto n

Error Porcentual E porcentual =

Página_9

E absoluto x 100 T patrón

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Semestre I 2019

Guía de Laboratorios

Experimento 2 CALIBRACIÓN DE MANÓMETRO POR PESO MUERTO

1. - OBJETIVOS Realizar la calibración de un Manómetro de Bourdón utilizando un Calibrador de Peso Muerto. Construir una gráfica Presión Teórica v/s Presión Indicada, utilizando un método de ajuste lineal (Regresión lineal). 2.- PRINCIPIOS TEÓRICOS La calibración de presión es uno de los mas comunes tipos de calibración realizados en laboratorios y aplicaciones industriales. El equipo es relativamente simple de utilizar y barato en relación a otros equipos sofisticados. La presión es una unidad derivada de las unidades fundamentales de longitud (l), masa (m), y tiempo (t). Sabemos que la fuerza se define como una masa (m), bajo una aceleración (l/t2) y el área como (l2). 2.1. Presión Se define la presión como la fuerza aplicada sobre una unidad de superficie. P =

Fuerza Área

Símbolo en Sistema Internacional

Pa =

N 2 m

2.2. Calibrador de Peso Muerto Los Calibradores de Peso Muerto son el tipo de calibrador de presión mas apliamente utilizado, existe una gran variedad de tipos, con diferentes fluidos, rangos y unidades de presión. El típico Calibrador consiste en una cámara llena de fluido y un émbolo que se desplaza dentro de esta cámara de forma manual, por medio de un vástago roscado o Página_10

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Guía de Laboratorios

Semestre I 2019

algún tipo de fuerza externa. 2.3. Fuentes de error en la calibración ➢

➢

➢

➢

Si no se adopta precauciones, el fluido escapa o se filtra por no cerrar bien la válvula de salida. El equipamiento debe ser manipulado con “Confianza y Propiedad”, no es necesario una presión excesiva sobre el émbolo. Correcta definición de pesos para cada medición, verifique y ponga en la balanza cada uno de los pesos. Lectura clara en el Manómetro de Bourdón a calibrar, verifique escala, rango y precisión del instrumento.

Página_11

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Guía de Laboratorios

Semestre I 2019

3. - DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO Se emplea un Calibrador de Peso Muerto, equipo consistente en un mini-banco de pruebas y sus respectivos Pesos Calibrados.

➢

➢

➢ ➢ ➢

Componentes: Cámara cilíndrica vertical, conectada por medio de un conducto a una base soportante del Manómetro a ensayar, ademas presenta un ducto de rebalse. Vástago cilíndrico calibrado, calza perfectamente en la cámara vertical. Sobre este vástago se disponen cada uno de los pesos calibrados. Pesos calibres. Balanza digital. Probeta con fluido para el ensayo.

Vástago cilíndrico

Válvula

Cámara cilíndrica vertical

Pesos Calibrados Manómetro

Banco de Ensayo

Fig. 1 “Banco de pruebas” 4. - PROCEDIMIENTO ➢

➢

Verificar la existencia y correcta disposición de todos elementos descritos en el punto 3.- Descripción del equipo. Verificar el funcionamiento de la balanza digital.

Página_12

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Semestre I 2019

Guía de Laboratorios

➢ ➢ ➢

➢ ➢

➢ ➢

➢

➢

➢

➢

Pesar el Vástago cilíndrico. Pesar cada uno de los Pesos Calibre. Ordenar sobre el mesón de ensayo. Abrir la válvula ubicada a la derecha del equipo (Única válvula existente) y retirar el fluido existente en la línea. Siempre se presentarán gotas adheridas en las paredes del conducto, ésto es normal. Ubicar los conductos de desagüe dentro del Banco de Pruebas. Con la válvula abierta, rellene lentamente con fluido la Cámara Vertical, cuando observe que el fluido escurre por el ducto de desagüe ( zona de la válvula ) cierre la válvula. El fluido deberá salir por el rebalse superior. Nivele por medio del ducto de rebalse. Controle bien el llenado, en caso de ocurrir un derrame, por favor use papel secante. Ubique con “Propiedad” el vástago cilíndrico, dentro de la Cámara vertical, use papel secante para retirar el exceso de líquido. Observe el movimiento en la “Aguja” del manómetro. Apunte esto en su cuaderno de notas. Verfique que por efecto del Vástago y su propio peso, la Presión Indicada en el Manómetro es la correcta. Ubique en forma secuencial, cada uno de los Pesos Calibre, según orden establecido por usted y/o grupo de trabajo. Tome nota de cada uno de los fenómenos observados.

El peso de cada Calibre, debe ser medido con la mayor exactitud posible. Puede hacer una pequeña marca con lápiz grafito o numerar los Calibres. Una vez terminada la experiencia debe limpiar la superficie y todos los elementos utilizados. 5.- RESULTADOS ➢ Procesar los datos y realizar una calibración lineal (Regresión Lineal). ➢

Confeccionar curva de calibración para el Manómetro (Presión Teórica v/s Presión Indicada).

➢

Analizar datos, gráficos, presentar cálculos en forma clara y una pequeña conclusión sobre la experiencia realizada..

➢

Desarrollar algún tema sugerido por el profesor.

Página_13

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Semestre I 2019

Guía de Laboratorios

6.- TABLAS DE DATOS

Tabla N°1

Tabla N°2

Pesos Calibres

Peso (

)

Vástago Vertical

1

Peso (

)

2

Diámetro (mm)

18

3 4 5 7.- TABLA DE MEDICIONES

Tabla N°3 Pesos Calibres

Presión Indicada ( Pa)

Calibre #1 Calibres #1 y #2 Calibres #1 ,#2, #3 Calibres #1 ,#2, #3 y #4 Calibres #1 ,#2, #3, #4 y #5

Página_14

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Semestre I 2019

Guía de Laboratorios

8.- TABLA DE RESULTADOS

Tabla N°4 Presión Teórica ( )

Presión Indicada ( )

% Error

9.- FÓRMULAS Área Circular:

∗D Acírculo= 4

2

 F Presión = A

Presión

Error porcentual

Error porcentual

Página_15

∣

∣

PresiónTeórica − Presión Indicada ∗ 100 = PresiónTeórica

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Guía de Laboratorios

Semestre I 2019

10.- ANEXO Regresión Lineal Se representa en un gráfico los pares de valores de una distribución bidimensional: la variable “x” en el eje horizontal o abcisa y la variable “y” en el eje vertical u ordenada. Vemos que la nube de puntos sigue una tendencia lineal:

El coeficiente de correlación lineal nos permite determinar si, efectivamente , existe relación entre las dos variables. Una vez que se concluye que sí existe relación, la regresión nos permite determinar la recta que mejor se ajusta a esa nube de puntos.

Una recta se define por la siguiente fórmula:

y = ab∗x Donde “y” sería la variable dependiente, es decir, aquella que se define a partir de la otra variable “x” (variable independiente). Para definir la recta hay que determinar los valores de los parámetros “a” y “b”: El parámetro “a” es el valor que toma la variable dependiente “y” cuando la variable independiente “x” vale 0 (cero), y es el punto donde la recta cruza al eje vertical. El parámetro “b” determina la pendiente de la recta, su grado de inclinación. La regresión lineal nos permite calcular el valor de estos dos parámetros, definiendo la recta que mejor se ajusta a esta nube de puntos.

Página_16

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Guía de Laboratorios

Semestre I 2019

El parámetro “b” se determina por la siguiente fórmula:

b =

∑  x i−x  yi− y  ∑  xi − x 2

El parámetro “a” se determina por:

a = y −b∗x 

Página_17

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Semestre I 2019

Guía de Laboratorios

Experimento 2 (continuación) Medición de densidad, peso específico, gravedad específica 1.- OBJETIVO Medir densidades relativas usando densímetros para algunos líquidos . Determinar densidades, pesos específicos , grados API y grados Baume. 2.- PRINCIPIOS TEÓRICOS Densidad (ρ): Se define como la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia. En mediciones al ambiente, de precisión, debe corregirse el valor medido para considerar el efecto de flotación.

 = Donde:

m v

  kg m3

m =masa v =volumen

Peso específico ( γ): Se define como el peso del material o sustancia por unidad de volumen.

 = Donde

w v

  N m3

w= m * g v = volumen w = peso g = aceleración de gravedad

Página_24

Laboratorios_Termofluidos_2019

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA AREA DE TERMOFLUIDOS

Semestre I 2019

Guía de Laboratorios

Gravedad específica (S): o bien “Densidad Relativa ”. Relación entre el peso específico de un volumen dado de fluido a 15.5°C y el peso específico del agua destilada a 4°C.

S =

 Fluido

15.5ºC

 agua

4ºC

ó

 Fluido 15.5ºC S =  agua 4ºC

Para la medición del peso específico, es corriente en la industria del petróleo, emplear los grados API (American Petroleum Institute) y los grados Baumé (Bureau of Standards). Ambas escalas se basan en atribuir al agua un peso es...