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UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS FACULTAD DE INGENIERÍA E.A.P INGENIERIA INDUSTRIAL

CURSO:

TERMODINÁMICA APLICADA

TRABAJO:

INFORME DE LABORATORIO 2

PROFESOR:

ROSA MARÍA ELIZABETH SAYAN RIVERA

ALUMNOS:

01/ 05/ 2020

LIMA – PERÚ

CONTENIDO 1.

INTRODUCCIÓN:.....................................................................................................................................3

2.

DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO:..........................................................................................................4

3.

SISTEMA DE BOMBA Y TUBERÍAS:...........................................................................................................5

4.

DATOS EXPERIMENTALES:.......................................................................................................................6 Tabla N°1....................................................................................................................................................6

5.

COMPARACIÓN DE VALORES EXPERIMENTALES Y TEÓRICOS:.................................................................7 Tabla N°2....................................................................................................................................................9 GRAFICO 1................................................................................................................................................10 Analizar e interpretar resultados..............................................................................................................10

6.

CUESTIONARIO:....................................................................................................................................11

7.

CONCLUSIONES:....................................................................................................................................12

8.

BIBLIOGRAFÍA.......................................................................................................................................13

1. INTRODUCCIÓN: Objetivos: Al finalizar la parte experimental y la entrega del informe, el alumno será capaz de:   

Describir el funcionamiento de una bomba y sus aplicaciones o usos. Medir y analizar la relación entre caudal y aumento de la presión del fluido transportado por la bomba. Calcular la potencia transmitida al fluido y compararla con la potencia nominal.

Fundamento teórico: Las bombas se utilizan en el transporte de líquidos. Hay que tener en cuenta que los líquidos son fluidos incompresibles lo que significa que la densidad (o el volumen específico) prácticamente no cambia al aumentar la presión. Las bombas trabajan “acopladas” a un motor. La función del motor es convertir el trabajo (o potencia) eléctrico, (entrada) en trabajo (o potencia) mecánico o de eje (salida). En toda transformación suele haber pérdidas de energía, por eso se expresa la eficiencia eléctrica de un motor como la relación entre la potencia mecánica y la potencia eléctrica. De la potencia transmitida en el eje, una parte se pierde por la fricción que aparece entre el fluido y los componentes físicos de la bomba, resultando que la potencia de entrada al fluido será menor que la potencia que se transmite a través del eje. Podemos hablar entonces de una eficiencia mecánica que relaciona el trabajo o potencia que recibe el fluido y el trabajo o potencia que transmite el eje.

Eficienciamecánica=

Wentrada al fluido × 100 Weje

Eficiencia del motor =

Eficiencia de bomba=

Weja × 100 Weléctrica

Wentrada al fluido ×100 Weléctrica

Ecuación de continuidad Un proceso continuo, en estado estable, se caracteriza porque no se acumula la masa en el sistema, por tanto, la velocidad de la masa al entrar y salir del sistema es la misma: velocidad de la masa al entrar y salir del sistema es la misma

m´ e = m´ s Como:

s vs As

=

e ve Ae

�  = ���

para líquidos:

s = e = densidad constante

Flujo de masa (kg/s)

V´ =νA

Caudal (m3/s) v  velocidad (m/s) A  área por la que pasa el fluido (m2)

Ecuación de Primera Ley de la Termodinámica aplicada a una bomba

[

W entrada=m C v (Ts−Te )+

Ps − Pe vs2−ve2 g ( zs− ze ) + + ❑ 1000 2000

]

Esta ecuación es válida bajo las siguientes condiciones:



No hay pérdidas de calor



La variación de energía interna sólo depende de la temperatura



La densidad del líquido no cambia con la temperatura

2. DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO: 1. Verificar que SOLO las válvulas (25), (26), (12) y (24) del equipo H38D, estén ABIERTAS. 2. Comprobar que la válvula (24) debe estar abierta completamente y colocar las tomas de presión donde indique el profesor. 3. Prender la bomba pulsando el interruptor; esperar un minuto y tomar los datos utilizando el programa computarizado: Caudal (� ) y variación de presión (∆P). 4. Cerrar 25% de la válvula (24) (un cuarto de vuelta); esperar un minuto y tomar los datos,

como en el paso 3. 5. Continuar cerrando la válvula (24) tomando los datos de (� ) y ∆P cada cuarto de vuelta, hasta completar 3 vueltas completas. Nota importante, observe que no esté saliendo agua por alguna de las válvulas o instrumentos pues sería indicativo que la válvula (24) ya está casi cerrada. 6. Abrir completamente la válvula (24) y apagar el equipo. 7. Medir la diferencia de alturas entre los puntos 1 y 2 (ver esquema) 8. Medir el diámetro de la tubería de descarga de la bomba.

135 cm

160 cm

3. SISTEMA DE BOMBA Y TUBERÍAS: 1) Registre los datos en la hoja respectiva (Tabla 1). 2) Calcule la potencia transmitida al fluido (en kW) para cada caudal. Para esto aplique la ecuación de energía eligiendo como sistema (abierto) desde la superficie libre de la cisterna (entrada -1) hasta la parte superior, después del manómetro (salida-2) 3) Compare cada valor de esta potencia con la potencia nominal de la bomba que es 0.45 kW. 4) Presente un ejemplo de cálculo y llene el cuadro donde se muestra la potencia de entrada para cada caudal (Tabla 2). 5) Presente un gráfico de potencia de entrada (�� ) vs caudal (� ). (Gráfico 1). 6) Escriba como mínimo dos conclusiones respecto al experimento de laboratorio.

4. DATOS EXPERIMENTALES: Tabla N°1

3

N° dato

ΔP (bar)

ΔP (kPa)

m V´ ( ) h

1

0.50

50

2.76

2

1.00

100

2.54

3

1.50

150

2.24

4

2.00

200

1.93

5

2.50

250

1.69

6

3.50

300

1.43

7

4.00

350

1.1

8

4.50

400

0.92

Presión atmosférica: 101 kPa Diámetro de tubería de descarga: 3.2 cm = 0.032 m Alturas respecto a la bomba: Z 1= 25 cm = 0.25 m

Z2 = 160 cm = 1.60 m

7

Potencia nominal: 0.45 kW (motor de la bomba) Fecha:01/05/2020

Profesor: Rosa María Elizabeth Sayán Rivera

5. COMPARACIÓN DE VALORES EXPERIMENTALES Y TEÓRICOS: CÁLCULOS Presente un ejemplo de cálculo según el dato designado por su profesor de la Tabla 1: � (m3/h): 1.43 m3 /h Tome en cuenta las siguientes fórmulas para el cálculo de la potencia de la bomba: V´ ´ m=ρ V´ v 2= v 1 ≈ 0 T 1=T 2 △ P=P2− P1 A2

[

2 2 △ P v 2 −v 1 g ( z 2− z 1) + + W´ e =m ❑ 2000 1000

]

Calcule:  El flujo de masa (kg/s): Para el cálculo del flujo de masa se utilizó la siguiente formula: m ´ =ρ V´ m=1000 ´ ×

1.43 3600

m=0.3972 ´

kg s

 La velocidad del fluido en la tubería (m/s): Datos: Cosideramos v 1 ≈ 0 m´ e = m´ s v e × Aentrada =v s × A salida Como A (e) ≫ A(s ) entonces

v ( e ) ≪ v (s) , por ello

v (e)=0

´ =v 2 × A 2 V 3.1416 1.43 =v 2 × ×(0.032)2 3600 4 8

1.43 × 4 m =0.4939 2 s 3.1416 × ( 0.032) ×3600  Cada una de las formas de energía: Datos:

v 2=

∆ P = 300 kJ =0.30 ρ 1000 kg

2

2

v −v 1 0.49392 −02 kJ =0.000122 Δe k= 2 = kg 2000 2000

Δe p=

g ( z 2− z1) 9.81 (1.60 −0.25 ) kJ = =0.01324 1000 1000 kg

 La potencia (kW) y evalúe si es recibida o entregada al fluido:

[

2 2 △ P v 2 −v 1 g ( z 2− z 1) ´ + + W e =m ❑ 2000 1000

]

W´ e =0.3972 [ 0.30 + 0.000122 + 0.01324 ] W´ e =0.1245 kW El W´ e es la potencia que recibe el fluido dentro de la bomba (energía sobre el fluido). Esta energía se produce por la energía que le proporciona el motor al eje. La potencia entregada al agua permite que el fluido se traslade de un lugar a otro. Es decir, es la encargada de proporcionar energía al fluido, impulsándolo.  Compare esta potencia con la potencia nominal (0.45 kW) Wnominal = 0.45 kW

Esfuerzo de la bomba=

Esfuerzo de labomba=

W´ e ´ W nominal

´ 0.1245 =0.2767=27.67 % ´ 0.45 9

La eficiencia o esfuerzo de la bomba es de 27.67 %



Para completar la tabla N°2 se realizo el calculo presentado anteriormente con cada valor del caudal. Los resultados obtenidos fueron los siguientes:

Tabla N°2

Analizar e interpretar resultados

a) Analice la relación entre el flujo másico y la presión ejercida sobre el fluido. Se puede visualizar que a mayor cantidad de agua (flujo másico) la presión ejercida sobre el fluido disminuye. Esto se debe a que el esfuerzo realizado por la bomba es menor y ello nos proporciona una menor diferencia de presión. Es bueno considerar que la aplicación de una bomba consiste en mover el fluido de una zona de menor presión a otra de mayor. Para lograr dicho objetivo se necesita incrementar la presión del líquido y esto se consigue añadiendo energía al sistema. Al generar el caudal necesario se desarrollará la presión que se aplicará en el sistema. b) Haga un análisis comparativo de las formas de energía calculadas (energía de flujo, energía cinética y energía potencial) y diga cuál de ellas tiene mayor incidencia en la potencia de la bomba. ∆P > Δe p>Δe k ρ Se puede evidenciar que, al incrementarse la energía de fluido, aumenta la presión (energía de flujo), velocidad (energía cinética) y la altura (energía potencial). Sin 10

embargo, la energía que posee mayor incidencia en la potencia de la bomba es la energía de flujo. Asimismo, se visualiza que la velocidad que posee el fluido (energía cinética) posee la menor incidencia sobre la potencia. c) Analice y emita un juico sobre los resultados de la potencia obtenida. Se visualiza que a medida que el caudal aumenta la potencia de entrada disminuye. Esto se debe a que mayor flujo volumétrico, mayor fujo másico, por ende, menor diferencia de presión. Por ello, para proporcionar la mayor cantidad de energía de entrada al fluido el fujo másico debe ser el menor posible.

 

GRAFICO 1 Represente la relación de Potencia de entrada (��) vs caudal (�) �� � 3/ℎ.

Analizar e interpretar resultados 

¿Qué relación guarda entre la potencia de entrada (��) y el caudal del fluido

líquido? Guarda una relación directamente proporcional, solo hasta que llega a un determinado punto, ya que luego baja. En otras palabras, tiene la forma de una función cuadrática invertida, ya que tiene forma de parábola. 

¿Cómo explica el punto de inflexión en la curva dibujada? Al parecerse a una función cuadrática, el punto de inflexión de los datos calculados 11

vendría a ser el vértice de nuestra parábola. En este punto se podría explicar que, desde el inicio del proceso, la entrada del fluido a través de la tubería empezó a incrementar, lo cual produjo una mayor magnitud de potencia de entrada. Asimismo, debido a la fricción desarrollada entre el fluido y los componentes del motor, esta fue disminuyendo. En otras palabras, el incremento de la potencia se debe al aumento del fluido por la tubería y luego decae por la fricción. ¿Cuál cree Ud. que es el caudal óptimo de la bomba? Explique. No, porque el caudal óptimo de la bomba, la cual fue de 2,76 m³/s, momento en el cual la bomba realiza su menor esfuerzo. Esto se da cuando ingresa una mayor cantidad de agua a la bomba, no cuando existe una mayor potencia de entrada, ya que según la gráfica, la mayor potencia de entrada se produjo cuando el caudal era de 1,43m³/s.



6. CUESTIONARIO: 1. Para determinar la potencia de la bomba a partir de la ecuación de la 1ra Ley de la Termodinámica ¿Qué condiciones o restricciones se tuvo que tomar en cuenta? Enumere.    

Se elimino el trabajo eléctrico de salida (Ws), debido a que la bomba no genera ni proporciona ninguna potencia eléctrica de salida. Se elimino el calor de salida (Qs), debido a que en la bomba no hay perdidas de calor (el fluido no ingresa caliente). Se elimino el Calor de entrada (Qe), debido a que la temperatura del fluido se mantiene con una temperatura constante, es decir no existe variación de temperatura. De igual manera, como en la bomba las presiones son fundamentales para el análisis, la diferencia de entalpia es reemplazada por (△P) / ρ .

2. Según el experimento, ¿qué variables de procesos son relevantes en el cálculo de la potencia de una bomba? Explique. Para el cálculo de la potencia de una bomba se debe considerar: 

La presión: Al conocer el valor de la presión se podrá calcular la energía del flujo.



Densidad: La densidad del fluido contribuye al cálculo de la energía del flujo.



Flujo volumétrico (caudal): Se necesita conocer este valor, debido a que nos ayudará a calcular la velocidad del fluido. Por ende, la energía cinética.



Altura: Conocer la altura inicial y final del fluido, se podrá calcular la energía potencial.

12

NOTA: Es bueno precisar que el fluido recibe la potencia mecánica de la bomba en forma de potencia hidráulica, y esto se realiza mediante los tres tipos de energía mencionadas anteriormente.

3. Escriba algunas aplicaciones del dispositivo bomba y que fluidos puede transportar. Una de las aplicaciones más importantes del uso de una bomba se aplica en la industria petrolera. Para la conversión de petróleo crudo en productos se requiere un proceso que ayude en la extracción de todos los subproductos utilizados en la industria, no solamente la gasolina. Para dicho proceso las bombas contribuyen en la transferencia de estos líquidos, proporcionando la presión y el caudal necesarios para las reacciones químicas, la extracción del crudo y su transporte de un punto a otro. Otra aplicación muy importante se evidencia en la agricultura. En esta industria, las bombas de agua se utilizan en la maquinaria de riego. Inclusive, estas son aplicadas para fumigación de productos químicos líquidos. El fluido incomprensible puede ser líquido o una mezcla de sólidos y líquidos. Por ejemplo, agua (limpia o residual), aceite, ácido o álcali, suspensión o metal líquido, hormigón antes de fraguar o la pasta de papel, etc.

7.

CONCLUSIONES: En base a este laboratorio, hemos podido concluir con lo siguiente:







Se descubrió el funcionamiento de una bomba, ya que ahora entendemos que este instrumento nos sirve para empujar un fluido hacia adentro de una tubería, dándole energía, lo cual provoca un aumento de la presión en este líquido. El objetivo de estas bombas es distribuir líquidos de zonas de menor altura o presión a otra de mayor altitud o presión, proceso que no se podría realizar directamente. La relación existente entre el caudal y el aumento de la presión de un fluido transportado por la bomba es inversamente proporcional. Esto se explica en que cuando se abre totalmente la llave del caudalímetro, el agua entra con el máximo de caudal, lo que produce que la bomba se esfuerce mucho menos, y si la bomba se esfuerza menos, el delta de presión será menor. En otras palabras, a mayor caudal del líquido, existirá menor presión. Por último, nos hemos dado cuenta de que la potencia transmitida al fluido es menor que la potencia nominal, potencia del motor. Esto de sebe a que suele existir pérdidas de energía entre la potencia del motor y la potencia mecánica (de eje) debido a la resistencia del motor y estator (pérdidas de corriente en barras del rotor, anillos extremos y bobinados), a la fricción mecánica y a los ventiladores de refrigeración, entre otros. Adicionalmente, en el sistema observado, existía 13

pérdidas entre la potencia de eje y la potencia del fluido, la cual se produjo por la fricción entre el fluido y los componentes físicos de la bomba. Como se puede ver, se han producido dos pérdidas de energía, la cual comparamos con la energía inicial del motor de la bomba:

Esfuerzo de labomba=

´ 0.1245 =0.2767=27.67 % ´ 0.45

Con esto concluimos que los causantes de la ineficiencia de este proceso, que se acaba de mencionar, provocaron una pérdida total del 27.67% de la energía del motor

8. BIBLIOGRAFÍA  Cengel, Y., & Boles, M. (2013). Termodinámica. 7ª ed. México: McGraw-Hill.  Coparoman. (2014). Eficiencia del motor eléctrico. Recuperado de https://coparoman.blogspot.com/2014/09/eficiencia-del-motor-electrico.html [consulta: 2 de mayo de 2020].

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