Reporte 12 del laboratorio de termodinamica PDF

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Objetivos Identificar los componentes de una unidad de refrigeración (bomba de calor PT) propuesta para la práctica. Realizar un balance de energía y entropía para calcular el trabajo que requiere el compresor durante su funcionamiento. IntroducciónLa máquina térmica es un dispositivo que funciona e...

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Objetivos • Identificar los componentes de una unidad de refrigeración (bomba de calor PT) propuesta para la práctica. • Realizar un balance de energía y entropía para calcular el trabajo que requiere el compresor durante su funcionamiento. Introducción La máquina térmica es un dispositivo que funciona en un ciclo termodinámico y que realiza cierta cantidad de trabajo neto positivo a través de la transferencia de calor desde un cuerpo a temperatura elevada y hacia un cuerpo a baja temperatura. La bomba de calor es una máquina térmica que toma calor de un espacio frío y lo transfiere a otro más caliente gracias a un trabajo aportado desde el exterior. Compresores

Los compresores son dispositivos en los que sobre el fluido se realiza trabajo procedente de una fuente externa, lo que supone un aumento importante de la presión del fluido y posiblemente un aumento importante de la temperatura. Compresor de pistón: La forma más simple de un compresor de pistón es una bomba de bicicleta. Un pistón se mueve hacia arriba en el interior del cilindro, reduciendo el espacio superior. Esto provoca que el aire tenga que aumentar la presión para poder encajar en la cavidad más pequeña. Compresor de tornillo: En un compresor de tornillo (o de doble rotor), el aire queda atrapado y sellado entre los perfiles de dos tornillos, uno macho y otro hembra. A medida que los dos tornillos o rotores helicoidales giran y engranan, el aire es empujado a lo largo de ellos hacia un espacio cada vez más pequeño. Esto provoca un aumento de la presión para permitir que el volumen de aire dado encaje en las cavidades de la cámara de compresión. Compresor scroll: Los compresores scroll son unos de los mejores compresores de tipo rotativo. En ellos el aire se comprime mediante dos elementos en espiral. Uno de los elementos es estacionario y el otro se mueve en pequeños círculos excéntricos dentro de la espiral. El aire queda atrapado en el interior de la espiral de ese elemento, y se transporta en pequeñas bolsas de aire al centro de la espiral. Compresor de paleta: El compresor de paletas es otro tipo de compresor rotativo. Tiene una carcasa fija en la que se coloca un disco de rotor rotativo que tiene ranuras que se usan para sujetar las paletas deslizantes.

Cuando el rotor gira, el disco también gira, lo que permite que las paletas deslizantes se muevan, ya que la superficie interior de la carcasa es excéntrica. Cuando esas paletas se alejan del centro, queda atrapada una gran cantidad de aire en su interior y, con la rotación, las palas deslizantes convergen debido a su forma y el aire atrapado en ellas se comprime. Son compresores que no requieren apenas de mantenimiento y tienen un diseño muy sencillo. Compresores centrífugos: Un compresor centrífugo es un compresor de aire dinámico que depende de la transferencia de energía de un impulsor giratorio al aire. Un compresor centrífugo tiene un elemento giratorio simple, montado en el eje que generalmente está conectado directamente al motor primario. El compresor está dividido en cuatro partes. Entrada, impulsor centrífugo, difusor y colector. Compresores axiales: Los compresores axiales son algo similares a los compresores centrífugos, y también son compresores dinámicos. El compresor axial es un tipo de compresor que comprime continuamente el aire. Es un compresor rotativo basado en una superficie aerodinámica en el que el gas o el aire fluyen paralelos al eje de rotación. El trabajo neto hecho por el sistema se relaciona con las magnitudes del calor absorbido y expulsado, tal que: 𝑊 =𝑄 −𝑄 𝑛𝑒𝑡𝑜

𝐴

𝑅

𝑄𝑎 es el calor absorbido por el sistema. 𝑄𝑟 es el calor expulsado desde el sistema W es el trabajo neto realizado por el sistema. La eficacia térmica del ciclo se define como el cociente del trabajo neto realizado con respecto al calor absorbido:

𝑛=

𝑄𝐴−𝑄𝑅 𝑄𝐴

=1−

𝑄𝑅 𝑄𝐴

En cuanto al balance de entropía en el sistema se obtiene de la siguiente manera:

Ṡgen=ṁ(Ṡe-Ṡi) Ṡgen=Entropía generada ṁ=flujo o gasto másico Ṡe= entropía de salida Ṡi= entropía de entrada

Desarrollo El profesor presentará un esquema de los dispositivos mecánicos que componen el sistema de refrigeración por la compresión de un vapor y explicará el principio de funcionamiento de cada uno de ellos. El profesor presentará el modelo matemático de la Primera Ley de la Termodinámica para realizar un balance de energía en los cambiadores de calor para calcular la transmisión de calor que se presenta en el evaporador y el condensador. Realizará un balance de energía para calcular la potencia que requiere el compresor para incrementar la presión del vapor del freón 134a. Presentará las ecuaciones para calcular el cambio de entropía en el compresor. Explicará cómo aplicar el principio de incremento de entropía para calcular la generación de entropía generada en el entorno durante la operación del compresor. Nota: Para hacer los cálculos se proporcionará los datos que se requieren para calcular:

Figura 1. Sistema de refrigeración denominado “Bomba de calor PT”

Equipo

T1 agua [°C]

T2 agua [°C]

Q=mc(T2-T1) [J]

Evaporador

23.8

9.8

-234416

Condensador

24

42.1

303066.4

Tabla 1 . Temperaturas del agua en el evaporador y condensador

Equipo

P [Pa]

T[°C]

Evaporador

240000

3.5

Condensador

1100000

46

Tabla 2. Presiones y temperatura del refrigerante R134a en el evaporador y en el condensador.

De acuerdo al software, los datos de entalpía y entropía son los siguientes:

Memoria de cálculos

𝑚 = 4[𝑘𝑔] 𝐽

𝑐 = 4186[ 𝑘𝑔𝐾 ] 60[𝑠] ∆𝑡 = 15[𝑚𝑖𝑛]( 1[𝑚𝑖𝑛] ) = 900[𝑠]

𝑄𝑒𝑣𝑎𝑝 = (4)(4186)(9. 8 − 23. 8) =− 234416[𝐽] 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 = (4)(4186)(42. 1 − 24) = 303066. 4[𝐽] 𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 = 303066. 4 − (− 234416) = 537482. 4 [𝐽] Ẇ=

537482.4 900

ṁ=

0.5972 424.2−403.2

𝐽

= 597. 20[ 𝑠 ] = 0. 0284[

𝑘𝑔 ] 𝑠

𝑚 = (0. 0284(900)) = 25. 56[𝑘𝑔] ∆𝑆𝑠𝑖𝑠 = (25. 56)(1. 721 − 1. 759) + [

303.0664 16

−

−234.416 ] 16

𝑘𝐽

= 32. 6212[ 𝑘𝑔°𝐶 ]

Resultados Trabajo del compresor:

𝑊𝑐𝑜𝑚𝑝 = 537482. 4 [𝐽] Potencia del compresor: 𝐽

Ẇ = 597. 20[ 𝑠 ] Flujo másico:

ṁ = 0. 0284[

𝑘𝑔 𝑠

]

Cambio de entropía en el compresor:

∆𝑆

𝑘𝐽

𝑠𝑖𝑠

= 32. 6212[ 𝑘𝑔°𝐶 ]

Conclusiones ● García Olvera Edwing: La realización de esta práctica me pareció algo sencilla y clara respecto al empleo de un compresor, sin embargo un poco confusa, pues el analizar el sistema para obtener el cambio de entalpía y entropía puede resultar algo confuso. En cuanto a los objetivos, a mi parecer se cumplieron pues durante la clase y la realización de la práctica se pudo comprender el funcionamiento de la unidad de refrigeración así como sus componentes, además se logró obtener lo solicitado por la misma con los datos brindados. Respecto a los valores obtenidos, me pareció que se logró entender el porqué de cada uno, aunque sí fue algo complicado de imaginar su obtención a pesar de la explicación del profesor, pues con la falta de algún simulador el obtener los datos puede que no haya quedado muy claro. ● Rivero Campos Jorge Luis: La práctica realizada fue sencilla en la obtención del balance de energía y entropía para calcular el trabajo que requiere el compresor durante su funcionamiento pero resulto dificil saber como se obtuvieron los datos para realizar dichos cálculos ya que al no ser obtenidos por un simulador, se complica saber de donde salieron, también conocimos los componentes de una unidad de refrigeración.

con los conocimientos adquiridos se cumplieron los objetivos planteados. ● Escobedo Herrera Erick David: Esta práctica fue amena, pienso que en general se cumplieron los objetivos de la misma ya que como se menciona fue una práctica un tanto sencilla de hacer, solo que un poco tardada por los cálculos a realizar, aunque los mismos no fueron difíciles. Para esto nos ayudó la explicación del profesor, ya que nos resolvió todas las dudas para poder llevar a cabo dichos cálculos y no se los dificultará en lo absoluto. ● Espinosa Ramírez David...