Turbina de heron III PDF

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turbina de heron...

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Universidad católica de santa María

Programa profesional de ingeniería mecánica, mecanica-electrica y mecatronica

Curso: Termodinámica I Tema: Turbina de Herón 2da parte Integrantes:



 

Ancasi Huamán José Barrientos Mantari Jean Paul Bernal Pedraza Diego William  Fuentes Castelo Eddy  Gonzales Benítez Cristián  Orccon Ñahuinlla Edward Sallo Guerra Jean Pierre

Docente: Ing. Camilo grimaldo Fernández barriga Fecha: 23/06/17

sección: “A”

Arequipa – Perú - 2017

Índice

 Objetivo  Introducción  Antecedentes  Referencias  Etimología  Marco Teórico  Metodología  Funcionamiento  Diagrama de Gantt  Desarrollo  Desarrollo del prototipo  Procedimiento  Resultados  Conclusiones  Bibliografía

Objetivo Objetivo General 

Desarrollar y explicar el funcionamiento de una maquina térmica (máquina de Herón o Eolipila), para, en base a los conocimientos adquiridos en el curso de Termodinámica y por medio de la experimentación, deducir el principio de su funcionamiento. Calcular el trabajo generado (+) así como el calor suministrado (+).

Objetivo Especifico 

Una vez calculado esto calcular la eficiencia máxima



Darle una aplicación moderna, rotación(encendido de led por dinamo)

aprovechando

su

Finalidad La finalidad de este proyecto es generar energía eléctrica a partir de la energía mecánica ejercida por la Eolípila así como servir de motor para un sistema de ventilación.

Introducción Herón fue un eminente sabio de Alejandría, en Egipto. Su invento más famoso fue la "Eolipila", que ha trascendido como el primer motor de reacción conocido. Este fue creado en el siglo I No obstante el principio de la "Acción" y de la "Reacción" lo emitiría siglos más tarde Newton. Esta máquina es la primera aplicación del principio que usan actualmente las llamadas turbinas de reacción.

Físico, matemático e ingeniero griego afincado que vivió en Alejandría, Grecia, que vivió entre el los años 10 a 70 de nuestro calendario.

*Fue unos de los mas grandes precursores de la automatización y de la ingeniera, incluso aun para la época. *Fue uno precursor de la automatización incluso aun para la época.

y de

la ingeniera,

*Este invento se adelantó 1700 años a la primera máquina de vapor de James Watts en el siglo XVIII. Tras el período helenístico, la ciencia helénica destacó en la ciudad de Alejandría, perdurando varios siglos. Allí surgieron periódicamente destellos de genialidad. Uno de estos genios fue Herón, que demostró una actitud pre moderna para la mecánica, descubriendo, aunque de forma arcaica, la ley de acción y reacción.

Máquina de vapor: Su mayor logro fue la invención de la primera máquina de vapor, conocida como «eolípila», «aelópilo» o «aelópila», y la fuente de Herón, cuya aplicación práctica en los templos le granjeó el pseudónimo de «el Mago». Algunas fuentes comentan que el invento no era más que un juguete con la finalidad de entretener a los niños de la época. Herón describió, aunque de forma arcaica mediante el eolípilo, la ley de acción y reacción de Isaac Newton, experimentando con vapor de agua. Generalizó el principio de la palanca de Arquímedes.

Neumática, hidráulica y robótica: Es autor de numerosos tratados de mecánica, como La neumática, en la que estudia la hidráulica, y Los autómatas, el primer libro de robótica de la historia. En Sobre la dioptra describe el funcionamiento de este aparato, similar al actual teodolito, usado en observaciones terrestres y astronómicas durante siglos. También en este libro describe el odómetro, utilizado para medir distancias recorridas por un viandante.

Trabajo como matemático: Sin embargo, es conocido sobre todo como matemático, tanto en el campo de la geometría como en el de la geodesia. Herón trató los problemas de las mediciones terrestres con mucho más acierto que cualquier otro de su época; por eso se dice que fue un gran científico. Como matemático, escribió La métrica, obra en la que estudia las áreas de las superficies y los volúmenes de los cuerpos. Desarrolló también técnicas de cálculo, tomadas de los babilonios y egipcios, como el cálculo de raíces cuadradas mediante iteraciones.

Antecedentes La primera mención de la idea de utilizar vapor para obtener energía aparece en La pneumática, del inventor y matemático griego Herón de Alejandría, en el siglo I. Allí describió su eolípila, una turbina de vapor que consistía en una caldera conectada mediante dos tubos a los polos de una esfera hueca que podía girar libremente. La esfera estaba equipada con dos boquillas biseladas por donde salía vapor que producía la rotación de la esfera. Se han encontrado otras referencias en trabajos de la edad media y del renacimiento, pero no parece que se hayan construido dispositivos prácticos hasta que el arquitecto e inventor italiano Giovanni Branca diseñó una caldera que expulsaba vapor, el cual empujaba unas paletas que sobresalían de una rueda, haciéndola girar. La primera máquina de vapor, construida por el ingeniero inglés Thomas Savery en 1698, consistía en dos recipientes de cobre que se llenaban alternativamente del vapor de una caldera. La máquina de Savery se utilizaba para extraer agua de las minas, como la desarrollada en 1705 por el inventor británico Thomas Newcomen.

El inventor escocés James Watt mejoró la máquina de Newcomen e introdujo el primer avance significativo de la caldera, el recipiente esférico o cilíndrico que se calentaba por abajo con una hoguera. La caldera de Watt, construida en 1785, consistía en un armazón horizontal cubierto de ladrillo con conductos para dirigir los gases calientes de la combustión sobre la caldera. Watt, uno de los primeros ingenieros que aprovechó las propiedades termodinámicas del vapor de agua, utilizó la válvula de seguridad de palanca, manómetros para medir la presión y grifos para controlar el flujo de agua y vapor en sus calderas.

Referencias Se han encontrado otras referencias en trabajos de la edad media y del renacimiento, pero no parece que se hayan construido dispositivos prácticos hasta que el arquitecto e inventor italiano Giovanni Branca diseñó una caldera que expulsaba vapor, el cual empujaba unas paletas que sobresalían de una rueda, haciéndola girar. La primera máquina de vapor, construida por el ingeniero inglés Thomas Saveryen 1698, consistía en dos recipientes de cobre que se llenaban alternativamente del vapor de una caldera. La máquina de Savery se utilizaba para extraer agua delas minas, como la desarrollada en 1705 por el inventor británico Thomas Newcomen. El inventor escocés James Watt mejoró la máquina de Newcomen e introdujo el primer avance significativo de la caldera, el recipiente esférico o cilíndrico que se calentaba por abajo con una hoguera. La caldera de Watt, construida en 1785,consistía en un armazón horizontal cubierto de ladrillo con conductos para dirigirlos gases calientes de la combustión sobre la caldera. Watt, uno de los primeros ingenieros que aprovechó las propiedades termodinámicas del vapor de agua, utilizó la válvula de seguridad de palanca, manómetros para medir la presión y grifos para controlar el flujo de agua y vapor en sus calderas

Etimología El nombre proviene del latín “eoli” y pila traducido como balón de Eolo, en honor del dios griego del viento.

MARCO TEÓRICO Las máquinas térmicas son máquinas de fluido compresible:

En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose energía mecánica. En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina. Tal distinción es puramente formal: Los motores térmicos, son máquinas que emplean la energía resultante de un proceso, generalmente de combustión, para incrementar la energía de un fluido que posteriormente se aprovecha para la obtención de energía mecánica. Los ciclos termodinámicos empleados, exigen la utilización de una máquina o grupo generador que puede ser hidráulico (en los ciclos de turbina de vapor) o térmico (en los ciclos de turbina de gas), de modo que sin éste el grupo motor no puede funcionar, de ahí que en la práctica se denomine Motor Térmico al conjunto de elementos atravesados por el fluido, y no exclusivamente al elemento en el que se obtiene la energía mecánica.

Expansión de Volumen Un aumento de temperatura suele aumentar el volumen de materiales tanto líquidos como sólidos. Al igual que en la expansión lineal, se ha visto experimentalmente que, si el cambio de temperatura DT no es muy grande(menos de 100 C°), el aumento de volumen DV es aproximadamente proporcional al cambio de temperatura DT y al volumen inicial Vo

La constante β caracteriza las propiedades de expansión de volumen de un material dado; se llama coeficiente de expansión de volumen. Las unidades de β son K^-1, o bien, (C°)^-1. β varía un poco con la temperatura, y la ecuación es una relación aproximada válida sólo para cambios de temperatura pequeños. En muchas sustancias, β disminuye a bajas tempera turas.

Expansión Térmica del Agua El agua, en el intervalo de temperaturas de 0 °C a 4 °C, se contrae al aumentar la temperatura. En este intervalo, su coeficiente de expansión es negativo. Por arriba de 4 °C, el agua se expande al calentarse. Por lo tanto, el agua tiene su mayor densidad a 4 °C. El agua también se expande al congelarse, lo cual explica porqué se forman

jorobas en el centro de los compartimentos de una charola para cubitos de hielo. En cambio, la mayoría de los materiales se contraen al congelarse.

Cambios de Fase Usamos el término fase para describir un estado específico de la materia, como sólido, líquido o gas. El compuesto H2O existe en la fase sólida como hielo, en la fase líquida como agua y en la fase gaseosa como vapor de agua. (También llamamos a éstos estados de la materia el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso.)Una transición de una fase a otra es un cambio de fase. Para una presión dada, los cambios de fase se dan a una temperatura definida, generalmente acompañada por absorción o emisión de calor, y un cambio de volumen y densidad.

Trabajo realizado al cambiar el volumen Una cantidad de gas en un cilindro con un pistón móvil es un ejemplo sencillo pero común de sistema termodinámico. Los motores de combustión interna, las máquinas de vapor y las compresoras de refrigeradores y acondicionadores de aire usan alguna versión de este tipo de sistema. Consideremos primero el trabajo efectuado por un sistema durante un cambio de volumen. Al expandirse un gas, empuja las superficies de sus fronteras, las cuales se mueven hacia afuera; por lo tanto, siempre realiza trabajo positivo.

Máquinas térmicas La base de nuestra sociedad tecnológica es la capacidad de usar fuentes de energía distintas de la potencia muscular. Hay casos en que la energía mecánica está disponible directamente, como la del agua y la del viento; sin embargo, casi toda nuestra energía proviene de quemar combustibles fósiles (carbón, petróleo y gas) y de reacciones nucleares. Esa energía se transfiere como calor, el cual es útil directamente para calentar edificios, cocinar y realizar procesos químicos; no obstante, para hacer funcionar una máquina o impulsar un vehículo, necesitamos energía mecánica. Por lo tanto, es importante saber cómo tomar calor de una fuente y convertir, tanto de él como sea posible, en energía mecánica o trabajo. Esto es lo que sucede en los motores de gasolina de los automóviles, los motores a reacción de los aviones, las turbinas de vapor en las plantas de electricidad y muchos otros sistemas.

Se efectúan procesos muy simples en el reino animal; los alimentos se “queman” es decir, los carbohidratos se combinan con oxígeno para producir agua, dióxido de carbono y energía, y esa energía se convierte parcialmente en energía mecánica cuando los músculos del animal efectúan trabajo sobre su entorno. Un dispositivo que transforma calor parcialmente en trabajo o energía mecánica es una máquina térmica.

Fuentes fría y caliente Todas las máquinas térmicas absorben calor de una fuente a una temperatura relativamente alta, realizan un trabajo mecánico y desechan o rechazan algo de calor a una temperatura más baja. En lo que a la máquina concierne, el calor desechado se desperdicia. En los motores de combustión interna, éste es el calor que se elimina en los gases de escape y en el sistema de enfriamiento; en una turbina de vapor, es el calor que debe salir del vapor usado para condensar y reciclar el agua. Si un sistema pasa por un proceso cíclico, sus energías internas inicial y final son la misma.

Ciclo termodinámico El ciclo termodinámico realizado en una máquina térmica consta de varios procesos, en los que se intercambia energía térmica o energía mecánica o ambos a la vez. En el caso de una máquina térmica motora, los procesos en los que se intercambia energía térmica son: a) De absorción de calor de un foco externo a temperatura elevada denominado foco caliente. b) De cesión de calor a un foco externo a temperatura más baja denominado foco frío. En una máquina térmica generadora, el intercambio de energía térmica se realiza en el sentido opuesto al descrito anteriormente. Una máquina térmica en particular, la máquina de Carnot, de construcción teórica, establece los límites teóricos al rendimiento que cualquier máquina térmica real puede obtener al trabajar en función de las temperaturas del foco caliente y del foco frío entre los que trabaje.

Enunciado de Carnot

Nicolas Léonard Sadi Carnot en 1824 propuso: La potencia motriz del calor es independiente de los agentes que intervienen para realizarla; su cantidad se fija únicamente por la temperatura de los cuerpos entre los que se hace, en definitiva, el transporte calórica.

Enunciado de Clausius

Diagrama del ciclo de Carnot en función de la presión y el volumen. En palabras de Sears es: " No es posible ningún proceso cuyo único resultado sea la extracción de calor de un recipiente a una cierta temperatura y la absorción de una cantidad igual de calor por un recipiente a temperatura más elevada". Ambos enunciados son equivalentes y expresan una misma ley de la naturaleza. "La energía no se crea ni se destruye solo se transforma". Es imposible construir una máquina térmica cíclica que transforme calor en trabajo sin aumentar la energía termodinámica del ambiente. Debido a esto podemos concluir que el rendimiento energético de una máquina térmica cíclica que convierte calor en trabajo siempre será menor a la unidad y ésta estará más próxima a la unidad cuanto mayor sea el rendimiento energético de la misma. Es decir, mientras mayor sea el rendimiento energético de una máquina térmica, menor será el impacto en el ambiente, y viceversa.

La ecuación de Clausius-Clapeyron La evaporación del agua es un ejemplo de cambio de fase de líquido a vapor. Los potenciales químicos de las fases α (líquido) y β (vapor) son funciones de la temperatura T y la presión P y tienen el mismo valor μα(T, P)= μβ(T, P) A partir de esta igualdad y empleando relaciones termodinámicas, se obtiene la ecuación de Clapeyron.

Suponiendo que la fase vapor es un gas ideal y que el volumen molar del líquido es despreciable comparado con el volumen molar de gas, se llega a la denominada ecuación de Clausius-Clapeyron que nos proporciona la presión de vapor del agua Pv en función de la temperatura T, suponiendo además, que la entalpía L de vaporización es independiente de la temperatura (al menos en un determinado intervalo)

Donde C es una constante

Mecanismo de la vaporización El primer principio de la Termodinámica ΔU=Q-W Siendo Q el calor absorbido (Q>0) por el sistema y W el trabajo realizado por el sistema (W>0 si el sistema aumenta su volumen). Supongamos que una cantidad de calor Q=Li convierte un mol de líquido en un mol de vapor sin cambio de volumen, entonces ΔU=Q=Li Sin embargo, durante el proceso de vaporización hay un cambio de volumen, un mol de líquido Vl ocupa menos volumen que un mol de vapor Vv a la misma presión P y temperatura T. El trabajo realizado por el sistema es W=P(Vv-Vl)

El calor que tenemos que suministrar es Q=L= ΔU+W=Li+ P(Vv-Vl) L se define como el calor latente o entalpía de vaporización, es decir, el calor necesario para que se evapore un mol de líquido a una presión constante P y a la temperatura T. Normalmente Vv>> Vl y suponiendo que el vapor se comporta como un gas ideal, tendremos para un mol de vapor PV=RT Finalmente, tendremos la relación L=Li+RT

Si se calienta un líquido se incrementa la energía cinética media de sus moléculas. Las moléculas cuya energía cinética es más elevada y que están cerca de la superficie del líquido escaparán y darán lugar a la fase de vapor

Si el líquido está contenido en un recipiente cerrado, algunas moléculas del vapor seguirán el camino inverso chocando con la superficie del líquido e incorporándose a la fase líquida. Se establece un equilibrio dinámico, cuando el número de moléculas que se escapan del líquido sea igual (en valor medio) al número de moléculas que se incorporan al mismo. Decimos entonces, que tenemos vapor saturado a la temperatura T y la presión parcial que ejercen las moléculas de vapor a esta temperatura se denomina presión de vapor Pv. La presión de vapor de una sustancia temperatura y no del volumen; esto contiene líquido y vapor en equilibrio la presión es independiente de las líquido y de vapor presentes.

depende solamente de la es, un recipiente que a una temperatura fija, cantidades relativas de

La temperatura de ebullición es aquella para la cual, la presión de vapor es igual a la presión exterior. La presión de vapor del agua es igual a una atmósfera a la temperatura de 100ºC Si consideramos que la función de distribución de Boltzmann se aplica al mecanismo de la evaporación

donde nv y nl son el número de moles en la unidad de volumen en el vapor y en el líquido, respectivamente a la temperatura absoluta T, y Lies el valor medio por mol de sustancia de la diferencia entre la energía potencial de las moléculas en su fase de vapor y en su fase líquida. Esta ecuación vapor Pv, se absoluta T.

nos dice que nv y por tanto, la incrementan rápidamente con la

Derivando esta ecuación independiente de T.

Si el vapor se comporta ln nv=ln Pv-ln(RT)

respecto

como

un

de T,

presión de temperatura

suponiendo

que nl es

gas ideal Pv=nvRT

o bien,

Derivando esta expresión respecto de T

o bien,

Esta es una de las formas de la famosa ecuación de ClausiusClapeyron que proporciona la pendiente de la curva, en el diagrama P-T (figura al principio de esta sección), de coexistencia de las fases líquida y de vapor en equilibrio. El calor latente L varía con la temperatura T, pero podemos suponerlo constante en un intervalo dado de temperaturas. Integrando la ecuación diferencial, obtenemos

Metodología Investigación bibliográfica:

Consultoría, análisis de artículos en internet. Consultoría, análisis de definiciones del tema en libros. Investigación experimental: Vaciar el contenido de una lata por medio de agujeros hechos simétricamente en 2 extremos. En esos agujeros poner un tubo de cobre en cada uno, doblado a 90º y colocados de manera contraria del otro. Soldar los tubos y probar la máquina llenándola de agua y calentando. Ya que la máquina funcione, pro medio de los giros realizados por ésta, inducir un campo electromagnético en una generador eléctrico y producir electricidad.

Funcionamiento Usted probablemente ha visto la imagen de un eolípila y su aspecto distintivo: una esfera con dos boquillas, uno en ca...