GUIAS DE LABORATORIO TERMODINAMICA

DEPARTAMENTO DE MECANICA

GUIAS DE LABORATORIO

TERMODINAMICA

INGENIERIA INDUSTRIAL

EXPERIENCIA Nº :1

TÍTULO : TERMOMETRÍA

ASIGNATURA : TERMODINÁMICA

1. OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA

1.1 OBJETIVOS GENERALES

Conocer lo fundamentos de la termometría como actividad esencial de la termodinámica y los diferentes instrumentos utilizados para medir y registrar la temperatura.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Comprender el principio de medición y de registro de diferentes instrumentos utilizados para medir y registrar la temperatura.

• Conocer operativamente el manejo, uso práctico y limitaciones de diferentes tipos de termómetros. • Medir, registrar, comparar y evaluar temperaturas de sólidos, líquidos y gases, tomadas con los

diferentes tipos de termómetros.

• Definir la curva temperatura = f(distancia) los gradientes de calentamiento de una barra metálica delgada sometida al contacto de una fuente calórica.

2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA

En todos los procesos termodinámicos resulta fundamental del poder determinar el valor de la temperatura de los cuerpos o sustancias de trabajo. La temperatura es una medida del calor o energía térmica de un cuerpo o sustancia. La temperatura a nivel molecular está relacionada con la energía media de las moléculas que componen una sustancia. Los átomos y las moléculas no siempre se mueven a la misma velocidad, esto significa que hay un rango diferente de energía entre ellas. Por ejemplo, en un gas las moléculas se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades, algunas se mueven rápido y otras más lentamente, al colisionar las que se mueven más deprisa transfieren parte de su energía a las que se mueven más lento, como resultado se desaceleran las rápidas y se aceleren las lentas. Si agregamos energía al sistema, la velocidad media de las moléculas se incrementa, produciendo energía térmica o calor. Por tanto, temperaturas altas corresponden a sustancias que tienen un movimiento medio molecular mayor. Como lo que medimos en su movimiento medio, la temperatura no depende del número de partículas en un objeto y por lo tanto no depende de su tamaño. Por otro lado, se supone que a la temperatura del cero absoluto cesa el movimiento atómico y molecular. El cero absoluto tiene lugar a 0 grados Kelvin, -273.15 grados Celsius ó -460 grados Farenheit. Todos los objetos en la naturaleza tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto emiten energía térmica o calor. La medición de la temperatura se realiza aprovechando algunos de los siguientes principios de los cuerpos y sustancias: la dilatación de líquidos, la diferencia de potencial de cuerpos diferentes en contacto, la variación de la resistencia eléctrica con el calor, la emisión de energía electromagnética de los cuerpos, la dilatación diferencial de sólidos en contacto, la presión, etc.

2.1 Tipos de termómetros

Tabla 01: Líquidos usados en termómetros de vidrio

Líquido Temp.

Inf.

Temp.

Sup. Humectante

Mercurio -38,5 800 no

Mercurio-talio -58 1150 no

Galio 0 1200 no

Pentanio -200 35 si

Etanol -110 35 si

Pentanol -115 135 si

Tolueno -90 100 si

Cresota -40 210 si

Petróleo -45 160 si

• En el termómetro de termopar o termocupla, pila termoeléctrica, consta de dos cables de metales diferentes unidos en un extremo (ver Figura 01), que producen un voltaje que varía con la temperatura de la conexión. Este voltaje se usa como medida indirecta de la temperatura. Se emplean diferentes pares de metales para las distintas gamas de temperatura, siendo muy amplio el margen de conjunto: desde -200 °C hasta 1500 °C (ver Tabla 02). Estos pueden ser de sonda o de penetración.

Figura 01: Tipos de montajes para termocuplas

Tabla 02: Tipos de termocuplas usadas para medir la temperatura

Tipo Denominación Composición y símbolo Rango de temperaturas (°C) Diámetro del alambre F.e.m.en (mV) B Platino-rodio 30% vs.

platino-rodio 6%

PtRh 30% - PtRh 6%

0 ...1.500 (1.800) 0,35 y 0,5 mm 0...10,094 (13,585)

R Platino-rodio 13% vs. Platino

PtRh 13% - Pt 0...1.400 (1.700) 0,35 y 0,5 mm 0.16,035 (20,215)

S Platino-rodio 10% vs. Platino

PtRh 10% - Pt 0...1300(1.600) 0,35 y 0,5 mm 0...13,155 (15,576)

J Hierro vs. constatán Fe - CuNi -200 ... 700 (900) -200 ... 600 (800)

3 mm 1mm -7.89 ... 39,130 (51,875)

-7.89 ... 33,096 (45,498)

K Niquel-cromo vs. níquel (Chromel vs. Alumel )

NiCr - Ni 0...1000(1.300)

0 ... 900 (1.200)

3 ó 2 mm

1,38 mm

0...41,269 (52,398)

0...37,325 (48,828)

T Cobre vs. constatán Cu - CuNi -200 ... 700 (900) 0,5 mm -5,60 ... 14,86 (20,86)

E Niquel-cromo vs. constatán (Chromel vs. constatán )

NiCr - CuNi -200 ... 600 (800) 3 mm

-9,83 ... 53,11 (68,78)

• En un termómetro de termistor un semiconductor varía su resistencia eléctrica en función de la temperatura. En un termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) su resistencia va decreciendo a medida que aumenta la temperatura (resistencias de coeficiente de temperatura negativo), están constituidas por un cuerpo semiconductor cuyo coeficiente de temperatura es elevado; es decir, su conductividad crece muy rápidamente con la temperatura, se fabrican de óxidos semiconductores como el níquel, zinc, cobalto, étc., la relación entre la resistencia y la temperatura no es lineal sino exponencial. En un termistor PTC (Positive Temperature Coefficient) su resistencia variable va aumentado a medida que aumenta la temperatura. Los termistores PTC se utilizan en una gran variedad de aplicaciones: limitación de corriente, sensor de temperatura, desmagnetización y para la protección contra el recalentamiento de equipos tales como motores eléctricos; también se utilizan en indicadores de nivel, para provocar retardos en circuitos, como termostatos, y como resistores de compensación. Estos termómetros pueden ser de sonda o de penetración.

• Los termómetros infrarrojos hacen posible la medición de la

temperatura sin contacto por medio de la radiación infrarroja de un cuerpo. Algunos poseen un rayo de luz piloto para su mejor orientación. Los termómetros infrarrojos miden solamente la temperatura superficial de superficies visibles, por tanto no lo pueden hacer a través de un cristal. Si mide superficies metálicas brillantes, como por ejemplo superficies de cilindros, solamente podrá utilizar los aparatos para determinar tendencias de temperatura. No es posible realizar una medición absoluta con los termómetros infrarrojos en superficies pulidas con brillo.

•

El pirómetro

o

pirómetro óptico

, es un dispositivo capaz de medir la temperatura de una

sustancia sin necesidad de estar en contacto con ella. El término se suele aplicar a aquellos

instrumentos capaces de medir temperaturas superiores a los 600 ºC. Una aplicación típica es la

medida de la temperatura de metales incandescentes en molinos de acero o fundiciones. Se gira

un anillo para ajustar la temperatura de un filamento incandescente proyectado en el campo de

visión, cuando el color del filamento es idéntico al del metal, se puede leer la temperatura en

una escala según el ajuste del color del filamento.

•

El

pirómetro de absorción-emisión

, se utiliza para determinar la temperatura de gases a partir

de la medición de la radiación emitida por una fuente de referencia calibrada, antes y después

de que esta radiación haya pasado a través del gas y haya sido parcialmente absorbida por éste.

Ambas medidas se hacen en el mismo intervalo de las longitudes de onda.

• El termómetro bimetálico consiste en una cinta hecha de dos metales de coeficientes de dilatación térmica muy diferente, tales como el invar (Fe-Ni 36%) y el latón, soldados cara con cara en toda su longitud. La cinta puede ser casi recta o puede formar una espiral para conseguir mayor sensibilidad. Una elevación de temperatura cambia la curvatura de la cinta, puesto que el latón aumenta más rápidamente en longitud que el Invar. Si uno de los extremos es fijo, un indicador unido al extremo libre se mueve sobre una escala graduada en temperaturas o una pluma se mueve sobre una tarjeta movible para registrar la temperatura

•

El termómetro de vapor a presión se fundamenta en que una sustancia en la zona bifásica (líquido-vapor), la temperatura solamente es función de la presión. Su uso está muy extendido en la medida y registro de las temperaturas industriales.

•

El

termómetro de resistencia

se fundamenta en

la alta resistencia a la conducción del calor de una espiral de alambre metálico. Los materiales más usados son el platino, el cobre y el tungsteno. El platino tiene la particularidad de tener una relación resistencia-temperatura sumamente lineal, por lo cual es el material más utilizado y se le denominan IPRT (Industrial Platinum Resistance Thermometer) o RTD (Resistance Temperature Detector). Es el termómetro más preciso dentro de la gama de -259 °C a 631 °C, y se puede emplear para medir temperaturas hasta de 1127 °C. Pero reacciona despacio a los cambios de temperatura, debido a su gran capacidad térmica y baja conductividad, por lo que se emplea sobre todo para medir temperaturas fijas.

• Los termómetros digitales o de circuitos integrados (IC) incorporan un microchip que actúa en un circuitoelectrónico que es sensible a los cambios de temperatura ofreciendo lectura directa de la misma. Existen muchos otros tipos de dispositivos para medir la temperatura para diferentes aplicaciones especiales.

2.2 Transductores para el registro de temperatura

Un transductor de temperaturas, es un dispositivo que convierte una magnitud física en una señal eléctrica la cual puede ser procesada para registrarla en el tiempo. Es fácil realizar medidas de la temperatura con un sistema de adquisición de datos, pero la realización de medidas de temperatura exactas y repetibles no es fácil.

La temperatura es un parámetro termodinámico difícil de medir debido a su simplicidad. Pareciera que se trata de un simple número, pero en realidad es una estructura estadística cuya exactitud y repetitividad dependen de la masa térmica, el tiempo de medida, el ruido eléctrico y los algoritmos de medida.

Los cuatro tipos más corrientes de transductores de temperatura que se usan en los sistemas de adquisición de datos: detectores de temperatura de resistencia (RTD), termistores, sensores de circuito integrado (IC) y

termopares. La elección de un transductor de temperatura adecuado y su correcta utilización puede marcar la diferencia entre unos resultados equívocos y unas cifras fiables. Los termopares son los sensores más utilizados. Los transductores eléctricos de temperatura utilizan diversos fenómenos que son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran:

• Variación de resistencia en un conductor metálicos (sondas de resistencia). • Variación de resistencia de un semiconductor (termistores).

• Fuerza electromotriz creada en la unión de dos metales distintos (termopares). • Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de radiación).

• Otros fenómenos: velocidad del sonido en un gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.

2.3 Transferencia de calor por conducción

En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor.

La ley de Fourier de la conducción del calor afirma que la velocidad de conducción de calor a través de un cuerpo por unidad de sección transversal es proporcional al gradiente de temperatura que existe en el cuerpo (con el signo cambiado). Sea J la densidad de corriente de energía (energía por unidad de área y por unidad de tiempo), que se establece en la barra debido a la diferencia de temperaturas entre dos puntos de la misma. La ley de Fourier afirma que hay una proporcionalidad entre el flujo de energía J y el gradiente de temperatura.

Supongamos una barra metálica de longitud L, conectada por sus extremos a dos focos de calor a temperaturas Ta y Tb respectivamente, ver Figura 02. Sea T0 la temperatura inicial de la barra cuando se conectan los focos a los extremos de la barra.

Figura 02: Barra metálica expuesta a un gradiente de temperatura.

Al cabo de cierto tiempo, teóricamente infinito, que en la práctica depende del tipo de material que empleamos, se establece un estado estacionario en el que la temperatura de cada punto de la barra no varía con el tiempo. Dicho estado está caracterizado por un flujo J constante de energía. La ley de Fourier establece que la temperatura variará linealmente con la distancia x al origen de la barra.

La temperatura en cualquier punto de la barra x, en un instante t, se compone de la suma de un término proporcional a x, y de una serie rápidamente convergente que describe el estado transitorio. La temperatura en cualquier punto x a lo largo de la barra, en un instante determinado, T(x, t) es la solución de la ecuación diferencial, que es una combinación de dos términos, la que corresponde al régimen permanente más la del régimen transitorio.

Las condiciones de contorno, es decir, la temperatura T0 en el instante inicial (t=0), y las temperaturas en los extremos Ta (para x=0) y Tb (para x=L) que permanecen invariables, nos permiten obtener los valores de los coeficientes kn

Para n par:

La conductividad térmica es una propiedad propia de cada material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores (computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.

3. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS EXPERIMENTALES

Para la realización de la experiencia se requiere de lo siguiente: • Termómetro de mercurio

• Termómetro de alcohol • Termómetro de termocupla • Termómetro infrarrojo • Termómetro bimetálico • Termómetro digital • Termómetro termistor • Material sólido • Sustancia líquida

• Dispositivo calefactor de barra metálica • Cronómetro

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para la medición de la temperatura de sólidos, líquidos y gases se efectúa el siguiente procedimiento: a) Definir la sustancia sólida a medir la temperatura.

b) Seleccionar todos los termómetros que puedan registrar la temperatura del sólido c) Identificar cada uno de los termómetros

d) Registrar las temperaturas correspondientes de cada instrumento.

e) Comparar resultados y evaluar cual es la temperatura más representativa del sólido. f) Definir una sustancia líquida a medir la temperatura.

g) Realizar los pasos b, c, d y e

h) Definir una sustancia gaseosa a medir la temperatura. i) Realizar los pasos b, c, d y e

Para la medición del gradiente de temperatura de la barra metálica se efectúa el siguiente procedimiento:

a) Identificar el equipo y cada 3 ó 5 cm definir los puntos para realizar las lecturas de temperatura, a lo largo de toda la barra.

b) Conectar el dispositivo calefactor de barra a la red eléctrica y encenderlo. c) Cada 3 ó 5 minutos registrar la temperatura de uno o dos puntos de la barra.

d) Cuando la barra esté disipando calor en régimen permanente registrar la temperatura de todos los puntos definidos en (a), con al menos dos termómetros diferentes.

e) Elaborar la curva Temperatura = f(distancia)

5. CONTENIDO DEL INFORME

El contenido del informe deberá abarcar el desarrollo mínimo de los siguientes contenidos fundamentales: Teoría fundamental del experimento, objetivos de la experiencia, esquema de instalación, características técnicas de los equipos e instrumentos empleados, descripción del método seguido o procedimiento experimental, presentación datos tomados y resultados (tablas, gráficos, etc.), discusión de los resultados, conclusiones.

6. EVALUACION

El informe que debe entregar el alumno será evaluado de acuerdo a la siguiente ponderación: Introducción, objetivos, marco teórico 1.0 pto.

EXPERIENCIA Nº : 2

TÍTULO : DETERMINACION DEL PODER CALORIFICO

DE COMBUSTIBLES

ASIGNATURA : TERMODINAMICA

1. OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA

1.1 OBJETIVO GENERAL

Visualizar y aplicar los conceptos de poder calorífico superior e inferior y su estandarización.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Los objetivos específicos que se pretende alcanzar, a través de esta experiencia son:

• Conocer las formas y medios para determinar los poderes caloríficos de combustibles gaseosos,

líquidos y sólidos.

• Determinar, experimentalmente, el poder calorífico de un combustible sólido, por medio de un

Calorímetro PARR, a volumen constante.

2. INTRODUCCION TEORICA

Durante un proceso de combustión la energía química de un combustible es transformada en energía molecular cinética o potencial de los productos.

El término más común relativo a la energía asociada con la combustión, es la máxima cantidad de calor que puede obtenerse de los productos de la combustión completa, si esos productos se enfrían a la temperatura original de la mezcla de aire y combustible es posible obtener el poder calorífico.

En el proceso de enfriamiento de los productos se condensa cierta cantidad de vapor de agua (ya que la mayoría de los combustibles contienen hidrógeno), según en las condiciones en que se realice. Dado que esta condensación libera cierta cantidad de calor, el valor calorífico de un combustible varía entre un valor mínimo, cuando no hay condensación del vapor de agua y en un valor máximo cuando es completa, es decir, existe vapor de agua condesado.

Se puede definir el concepto de poder calorífico de combustible como: “La cantidad de calor producida, o generada, por la combustión completa de la unidad de combustible en cuestión, suponiendo que los productos de la combustión se enfrían hasta la temperatura inicial”

El poder calorífico (N) se expresa, por lo tanto, en las siguientes unidades: combustibles sólidos y líquidos cal/kg de combustible y para combustibles gaseoso en cal/m3_{. Se puede distinguir:}

Poder Calorífico Superior (PCS): Se define como la cantidad de calor generado por la combustión completa de

la unidad de volumen o de masa del combustible, considerado en condiciones estándar, es decir: • Temperatura del combustible y del aire = 25 o_C

• Presión = 760 mm Hg

• Cuando en los productos de la combustión se encuentra agua en estado líquido.

Poder Calorífico Inferior (PCI): Es la cantidad de calor generado en las mismas condiciones anteriores, pero

ahora el agua formada en la reacción se encuentra en estado gaseoso.

2.1 Formas y medios para determinar el poder calorífico

2.1.1 Teóricamente: Por medio de la llamada Entalpía de Formación (ħfo) y que se define como “la cantidad de

energía necesaria para formar un compuesto a partir de sus elementos constitutivos”. Se considera que la

formación ocurre a 25 o_{C y 760 mm de Hg. Los valores de ħ}

fo aparecen en la tabla 12.3 (cap. 12) y tablas A.11

2.1.2 Empíricamente: A través de algunas expresiones que consideran la composición del combustible. Una

expresión muy conocida, es la ecuación de Dulong, que permite determinar la potencia calorífica de un combustible (carbón) basada en las proporciones, en peso, del carbono total, hidrogeno útil y azufre:

S O

H C

kg

kcal ⎟+ ⋅

⎠ ⎞ ⎜

⎝ ⎛ − +

⋅

= 2268

8 34720

8148 /

Donde C, H, O y S son los pesos de carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre por kilogramo de combustible, respectivamente.

Esta ecuación da un valor aproximado del poder calorífico superior de un combustible y existe una gran concordancia con los valores obtenidos por medio de un calorímetro.

Se puede calcular, aproximadamente, el poder calorífico de los combustibles derivados del petróleo, partiendo de la densidad del mismo, referida a 15 o_{C. Esto se funda en cuanto menor es la densidad del}

combustible líquido, mayor es la proporción de hidrógeno y viceversa.

2.1.3 Experimentalmente: Por medio de calorímetros, para combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. Se mide

transfiriendo la energía calorífica que genera el combustible, a otro elemento (agua, alcohol, aceite, etc)

a) Calorímetro para combustibles sólidos

Aprovechando la variación de sus propiedades, principalmente la temperatura, ha sido cómodo y general, usar agua, como elemento que recibe el calor generado. Por tal razón en todos los calorímetros, se debe medir el ∆T.

De este modo, se utiliza la llamada “bomba calorimétrica”, cuando se quema el combustible a volumen constante. Existen varios tipos de bombas calorimétricas tales como la de Atwater, Davis, Emerson, Mahler, Peters, Parr y Williams. Una de estas bombas, el calorímetro Parr, de camisa isotérmica y bomba de doble válvula, se ilustra en la figuras 1, 2 y 3.

Fig 2 Calorímetro PARR

Fig 3 Bomba calorimétrica de doble válvula

El combustible, cuyo valor calorífico se desea determinar, se coloca en un crisol adecuado. En este crisol, se introduce una bobina de alambre fino. La bomba se carga con oxígeno a presión. Cuando pasa una corriente eléctrica por el alambre, el combustible se enciende. La bomba está rodeada por una camisa de agua a fin de absorber el calor desarrollado por la combustión. La bomba tiene también una camisa exterior y un espacio de aire alrededor del recipiente o camisa de agua central, para minimizar las pérdidas de calor al ambiente. Aunque el agua del recipiente interior absorbe la mayor porción del calor, este calor no es el valor calorífico del combustible, por las siguientes razones:

• La bomba en si absorbe cierto calor.

• Hay intercambio de calor con la camisa externa • El alambre de ignición libera cierta energía

• Los productos de la combustión no se enfrían a la temperatura original

• Debido a que la combustión se produce en oxígeno, se alcanza alta temperatura, lo que resulta en la formación de ácidos nítrico y sulfúrico.

Por tales razones, se hace necesario efectuar varias correcciones por radiación, alambre, ácidos, etc.

Uso de la bomba calorimétrica para otros combustibles

especiales de gelatina. Se coloca el combustible en la cápsula, se cierra y se pesa. El valor calorífico del azufre contenido en la cápsula de gelatina es un dato suministrado por su fabricante.

La bomba calorimétrica puede ser usada para determinar el valor calorífico de alimentos, compuestos químicos orgánicos y otros materiales que sean completamente combustibles en oxígeno a presión.

b) Calorímetro para combustibles gaseosos y líquidos:

El valor calorífico de los combustibles gaseosos y líquidos se determina por medio de un calorímetro de gas, el cual es del tipo de flujo continuo.

El procedimiento es el mismo, sea cuando se trate de combustible gaseoso y líquido, diferenciándose solamente en la forma como se realiza la combustión.

Para el caso del gas, se usa un quemador Bunsen y para los líquidos un quemador especial, con una balanza para masar el combustible quemado.

En el calorímetro Junkers el combustible en estudio se quema dentro, de tal forma que transfiere calor al agua de enfriamiento o refrigeración. El gasto de agua se mide, utilizando técnicas de pesaje y las temperaturas a la entrada y a la salida del dispositivo se determinan con termómetros de mercurio de precisión, como se muestra en la figura 4.

Los productos de la combustión se enfrían a temperatura lo suficientemente baja como para que se condense el vapor de agua. A continuación, el condensado se recoge en un frasco graduado como se muestra y, por otro lado, el gasto de gas se mide con un medidor de flujo por desplazamiento positivo.

2.2 Poder calorífico observado

Es el determinado en forma experimental en un calorímetro. En el caso de la combustión de un combustible sólido puede ser expresado por la siguiente expresión, en función de los datos obtenidos:

c

m

A

T

E

N

=

⋅

Δ

−

Donde:

N: Poder calorífico superior (cal/gr)

E: Constante o capacidad calórica del calorímetro (cal/o_C)

A: Calor total aportado por el alambre fusible (cal/cm) mc: Masa de combustible (gr)

Según sea el tipo de combustible empleado y debido a las variaciones de temperatura durante el ensayo, cuando se usa el calorímetro isotérmico, se tendrá que corregir el ∆T, el cual corresponde a la variación de temperatura entre la inicial y la máxima.

2.2 Corrección de las temperaturas inicial y máxima en la bomba calorimétrica

Debido a las variaciones de temperaturas durante el ensayo, cuando se usa el calorímetro isotermal y a otros factores, debe hacerse una serie de correcciones, con el fin de calcular el verdadero Ns de la muestra.

Durante la primera parte del período principal (después del encendido), el agua del recipiente es más fría que la del ambiente (entre 1 a 2 o_{C menos), por lo tanto ésta se sigue calentando y absorbiendo calor del medio}

ambiente. Este aumento de temperatura, debe descontarse del aumento total.

Durante la última parte del período principal (antes de alcanzar la temperatura máxima), el agua del recipiente es más caliente que el medio ambiente y, por lo tanto, pierde calor. Es decir, la temperatura máxima deberá incrementarse en el valor correspondiente.

Si se ha tomado la precaución de llenar el recipiente con agua, cuya temperatura debe ser unos 2 oC menos que la del ambiente y si la muestra se ha quemado totalmente, el incremento total del agua será de alrededor de 3 oC. A continuación se puede seguir el siguiente orden de cálculo:

a) La transición del período en que se absorbe calor a aquel en que se pierde, se realiza cuando el aumento de la temperatura ha alcanzado el 60% del aumento total (valor experimental)

Por lo tanto, la temperatura de transición (Tr), se calcula como:

(

_max

−

)

⋅

0

,

6

+

=

i i

r

T

T

T

T

Siendo: Tr: Temperatura de transición

Tmax: Temperatura máxima alcanzada (sin corregir)

Ti: Temperatura inicial (sin corregir) o de ignición

b) El tiempo correspondiente a la temperatura de transición (b), se determina interpolando los valores obtenidos, próximos a la temperatura de transición, como lo muestra la figura 5.

1 1 1

2

5

1

b

t

T

T

T

T

_r

−

−

=

′′

−

Donde, t1 corresponde al tiempo de la temperatura T1

c) Para calcular la verdadera temperatura inicial (temperatura inicial corregida, Tic), se aplica la proporción,

de acuerdo a la figura 6.

(

b

a

)

T

T

T

T

_{i ic i}

−

−

=

′

−

5

1

, expresando b-a, en minutos y décimas de minuto

(

)(

)

5

′

−

−

+

=

T

T

T

b

a

T

_{ic i} i

d) La temperatura máxima corregida (Tmaxc), se determina del mismo modo.

(

c

b

)

T

T

T

T

_c

−

−

=

′

−

_{3 max max}

max

5

, expresando c-b, en minutos y décimas de minuto

Por lo tanto,

(

)(

)

5

3 max max max

_′

−

−

+

=

T

T

T

c

b

T

_c

ic

c

T

T

T

=

−

Δ

_max TIEMPO TEMPERATURA 0’ 1’ 2’ 3’ 4’ 5’ 6’ 6’ 15’’ 6’ 30’’ 6’ 45’’ 7’ 8’ 9’ 10’ 11’ 12’ 13’ 14’ 15’ 16’

Fig 5 Tabla de valores

a)

b)

c)

T

i

: Temp. de ignición

T

1

T

2

Posible ubicación de T

r

T

max

(posible ubicación)

T

3

Encendido

}

}

Posible aumento de la

temperatura, durante

5 minutos

Posible disminución

de la temperatura,

durante 5 minutos

{

Fig 6 Gráfico de variación de temperaturas

Temperatura

Tiempo

T

maxc

T

max

T

3

T

r

T

i

T

ic

T

T

i

a=5’

b

c

3. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS EXPERIMENTALES

Con la finalidad de realizar la experiencia son necesarios ciertos instrumentos y componentes para efectuarla:

• 1 calorímetro de bomba PARR con sistema de ignición

• 1 gr de combustible sólido, puede ser carbón vegetal pulverizado u otro • 10 cm de alambre fusible PARR (E= 2400 cal/oC ; A= 2,3 cal/cm) • 1 crisol o depósito

• 1 termómetro o termocupla • 2 litros de agua destilada

• 1 tanque de oxígeno con regulador de presión • 1 balanza digital

• 1 cronómetro

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para la determinación del poder calorífico de combustibles sólidos se efectúa el siguiente procedimiento:

a) Masar 1 gr de combustible con la balanza digital, colocándolo dentro de un crisol adecuado. b) Cortar 10 cm de alambre fusible PARR e instalar entre los electrodos de la bomba.

c) Instalar el crisol con el combustible en los soportes de la bomba. Asegurarse que el alambre fusible haga buen contacto entre los bornes y que debe penetrar la superficie del combustible.

d) Instalar la tapa de la bomba, ya preparada según lo indicado anteriormente, e

nsamblando ésta con

cuidado de no perder ni humedecer la substancia

. Colocar la tuerca y apretar a mano.

e) Verificar que

las válvulas de seguridad del tanque de oxígeno estén cerradas

y cargar la bomba con oxígeno a una presión de 25 atmósferas.

f) Colocar 2000 cc de agua destilada, en el recipiente ovalado.

g) Instalar la bomba cargada, dentro del recipiente con agua y cuidar que quede todo sumergido, asegurándose que no hay escape de gas.

h) Conectar el sistema de encendido a los bornes de la bomba.

k) Se inicia el proceso, tomando el tiempo con cronómetro y midiendo la temperatura del agua, con el agitador funcionando, cada minuto, durante 5 minutos.

l) Al minuto 5 se presiona el botón de encendido (el que debe mantenerse presionado hasta cuando la luz piloto respectiva se apague sola, indicando que se ha iniciado la combustión, debido a que se fundió el alambre fusible). Se mide la temperatura durante 1 minuto.

m) A partir del minuto 6 se debe medir cada 15”, hasta completar 1 minuto, es decir, hasta el minuto 7. n) Desde el minuto 7 se continúa la medición de temperatura cada 1 minuto, hasta alcanzar la temperatura

máxima.

o) Habiendo alcanzado la tmax, se continúa la medición cada 1 minuto, durante 5 minutos, con el objeto de

verificar la posible entrega de calor al medio circundante. Si tal fenómeno ocurre, la temperatura deberá descender paulatinamente.

p) Posteriormente, se observa la temperatura, hasta alcanzar el valor máximo.

q) Detener el motor del agitador y desconectar todas las conexiones eléctricas, retirar la tapa del calorímetro y extraer la bomba.

r) Abrir la válvula de escape de gases de la bomba de tal forma que el oxígeno se escape lentamente. Destapar la bomba

s) Comprobar la combustión completa, existencia de residuos, condensado y formación de ácidos. t) Secar y limpiar todas las partes del calorímetro.

u) Efectuar la corrección por radiación, indicada anteriormente. Recordar que dicho gráfico debe construirse en papel milimetrado, a escala, de acuerdo con los datos obtenidos de la tabla de valores y éste debe ser similar al de la figura 6.

IMPORTANTE:

La operación de la bomba tiene que hacerse con precaución debido al

peligro de descarga eléctrica del sistema de ignición o explosión por la alta presión que

contiene. De este modo es importante recordar:

•

Limpiar la bomba con cuidado de no dañar las gomas selladoras

•

Desconectar el sistema por completo al momento de montar y desmontar la bomba

•

No quemar más de 1,5 gr de ninguna sustancia

•

No usar una presión mayor de 25 atm

•

No hacer ignición si la bomba burbujea al sumergirla en el agua

•

Seguir las instrucciones especiales del profesor a cargo.

5. CONTENIDO DEL INFORME

El contenido del informe deberá abarcar el desarrollo mínimo de los siguientes contenidos fundamentales: Teoría fundamental del experimento, objetivos de la experiencia, esquema de instalación, características técnicas de los equipos e instrumentos empleados, descripción del método seguido o procedimiento experimental, presentación de los resultados (tablas, gráficos, etc.), discusión de los resultados, conclusiones.

6. EVALUACION

El informe que debe entregar el alumno será evaluado de acuerdo a la siguiente ponderación:

Introducción, objetivos, marco teórico 0.5 pto. Descripción de instalaciones y equipos 0.5 pto. Descripción de la metodología utilizada 0.5 pto.

Presentación de resultados 3.5 ptos.

Discusión de resultados y conclusiones 2.0 ptos.

EXPERIENCIA Nº : 3

TÍTULO : PRUEBAS EN UNA MAQUINA DE

REFRIGERACION

ASIGNATURA : TERMODINAMICA

1. OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA

1.1 OBJETIVOS GENERALES

ƒ Analizar las principales etapas de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor, conociendo operativamente el proceso y la operación de un equipo experimental.

ƒ Comprender y reconocer la operación y características de los principales equipos de refrigeración utilizados en forma industrial y doméstica.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

ƒ Determinar la producción frigorífica y eficiencias del sistema de refrigeración por compresión de vapor

ƒ Determinar el caudal del refrigerante

ƒ Determinar los puntos característicos en un diagrama de p-h (para Freón 12), correspondiente al estado del refrigerante en los distintos elementos del circuito y reconstruir el ciclo de refrigeración.

2. INTRODUCCION TEORICA

La utilización del frío es un proceso conocido de tiempos antiguos; en el siglo XII los chinos utilizaban mezclas de salitre con el fin de enfriar agua; los árabes en el siglo XIII utilizaban métodos químicos de producción de frío mediante mezclas; en los siglos XVI y XVII, investigadores como los Sres. Boyle, Faraday (con sus experimentos sobre la vaporización del amoníaco) etc., realizan los primeros intentos prácticos de producción de frío.

En 1834 el Sr. Perkins desarrolla su patente de máquina frigorífica de compresión de éter y en 1835 el Sr. Thilorier fabrica nieve carbónica por expansión; el Sr. Tellier construye la primera máquina de compresión con fines comerciales, el Sr. Pictet desarrolla una máquina de compresión de anhídrido sulfuroso, el Sr. Linde elabora una máquina de amoníaco, los Sres. Linde y Windhausen construyen la máquina de anhídrido carbónico, el Sr. Vincent construye la máquina de cloruro de metilo, etc.

En la actualidad la refrigeración presenta un amplio campo en lo que respecta a la conservación de alimentos (Barcos congeladores de pescado en alta mar, plantas refrigeradoras de carnes y verduras), productos farmacéuticos y materias para la industria (Plantas productoras de hielo, unidades de transporte de productos congelados, barcos, aviones, trenes, camiones, etc.), en sistemas de acondicionamiento de aire y calefacción, etc. Esto da una idea del alto interés universal que reviste el frigorífico industrial desde el punto de vista económico, humano y social.

2.1 CICLOS TERMODINAMICOS

Se pueden enunciar cuatro ciclos termodinámicos, de gas, vapor, cerrado y abierto, los cuales se definen a continuación:

Ciclo de gas: La sustancia que lo realiza queda durante el ciclo en estado gas. Ciclo de Vapor: Recorre parte del ciclo en estado vapor y otra parte en estado líquido.

Ciclo cerrado: El fluido de trabajo regresa a su estado inicial al final del ciclo (ej. vapor en una central térmica).

Ciclo abierto: El fluido de trabajo se renueva en cada ciclo. (ej. automóvil).

Con los ciclos antes enunciados se generan dos áreas de trabajo e investigación denominados potencia y refrigeración. El ciclo de potencia abarca las máquinas térmicas dividiéndose éstas en dos grupos:

Combustión interna: Se quema el combustible.

El ciclo de refrigeración abarca los refrigeradores y bombas de calor. Los ciclos reales se aproximan a ciclos ideales, suponiendo:

ƒ El ciclo no implica ninguna fricción.

ƒ Procesos de expansión y compresión son cuasi estáticos.

ƒ Tuberías que conectan las diferentes partes del sistema están bien aisladas.

ƒ Se ignoran los cambios de energía cinética y potencial del fluido de trabajo (excepto en toberas).

2.2 MAQUINA DE CARNOT

La máquina de Carnot es una máquina ideal que utiliza calor para realizar un trabajo (imagen Nº 1). En ella hay un gas sobre el que se ejerce un proceso cíclico de expansión y contracción entre dos temperaturas. Este ciclo termodinámico se denomina ciclo de Carnot, es el procedimiento más eficaz para producir un trabajo a partir de dos focos de temperatura.

Se puede construir a partir de un cilindro sobre el que discurre un pistón unido a una biela que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento circular. El cilindro contiene una cierta cantidad de un gas ideal y la máquina funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes T1 < T2.

Las transferencias de calor entre las fuentes y el gas se hace de manera isotérmica, esta parte del proceso es, por lo tanto, reversible. El ciclo se completa con una expansión y una compresión adiabáticas, por lo que esta parte del ciclo es también reversible.

Fig 1: Máquina original de Carnot, diagrama de 1824

Funcionamiento General de la Máquina de Carnot

i.

Expansión isotérmica: se inicia cuando el gas ocupa el volumen mínimo Vmin a la temperatura T2 y a presión alta. En este estado se transfiere calor al cilindro desde la fuente de temperatura T2, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y mantiene su temperatura constante. El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el pistón. Dado que la temperatura permanece constante durante esta parte del ciclo, el gas no cambia su energía interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte en trabajo:

0

,

0

₁

1

1

=

dW

>

dU

=

dQ

(i)

ii.

Expansión adiabática: la expansión isotérmica termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T1 en el momento en que el pistón alcanza el punto máximo de su carrera y el gas alcanza su volumen máximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energía interna:

0

,

0

_{2 2}

2

=

dU

=

dW

>

dQ

(ii)

iii.

Compresión isotérmica: se pone en contacto con el cilindro la fuente de calor de temperatura T1 y el gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas pero, como la temperatura permanece constante, la energía interna no cambia y el trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T1:

0

,

0

₃

3

3

=

dW

<

dU

=

iv.

Compresión adiabática: la fuente T1 se retira en el momento adecuado para que durante el resto de la compresión el gas eleve su temperatura hasta alcanzar exactamente el valor T2 al mismo tiempo que el volumen del gas alcanza su valor mínimo Vmin. Durante esta etapa no hay intercambio de calor y el trabajo realizado sobre el gas se convierte en energía interna:

0

,

0

_{4 4}

4

=

dU

=

dW

≤

dQ

(iv)

Trabajo realizado

Por la Primera Ley de la Termodinámica, en cada ciclo la máquina realiza un trabajo mecánico dW igual

al calor dQ transferido de T2 a T1, lo cual se puede comprobar usando las igualdades obtenidas en cada ciclo:

dQ = dQ1 + dQ3 = dW1 + dW3

Donde la segunda igualdad se obtiene de i y iii. Por otra parte, el estado del gas al terminar un ciclo es el mismo que al comenzarlo, por lo que el cambio de su energía interna debe ser cero:

dU1 + dU2 + dU3 + dU4 = 0.

De esta igualdad y de i, ii, iii y iv se deduce que dW2 + dW4 = 0. Por lo tanto

dQ = dW1 + dW3 = dW1 + dW2 + dW3 + dW4 = dW.

El rendimiento de una máquina de Carnot (el cociente entre el calor absorbido y el trabajo desempeñado) es máximo y puede calcularse como:

2 1

1

T

T

−

=

η

2.3 CICLO DE CARNOT

El ciclo de Carnot es un ciclo termodinámico ideal reversible entre dos fuentes de temperatura, en el cual el rendimiento es máximo. Como todos los procesos que tienen lugar en el ciclo ideal son reversibles, el ciclo puede invertirse. Entonces la máquina absorbe calor de la fuente fría y cede calor a la fuente caliente, teniendo que suministrar trabajo a la máquina. Si el objetivo de esta máquina es extraer calor de la fuente fría se denomina máquina frigorífica, y si es aportar calor a la fuente caliente bomba de calor.

El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos procesos adiabáticos (aislados térmicamente)

Fig 2: Ciclo de Carnot

i.

Expansión isoterma: (proceso 1 → 2 en el diagrama) Se parte de una situación en que el gas se encuentra al mínimo volumen del ciclo y a temperatura T1 de la fuente caliente. En este estado se transfiere calor al cilindro

desde la fuente de temperatura T1, haciendo que el gas se expanda. Al expandirse, el gas tiende a enfriarse, pero

absorbe calor de T1 y mantiene su temperatura constante. Al tratarse de un gas ideal, al no cambiar la

Desde el punto de vista de la entropía, ésta aumenta en este proceso: por definición, una variación de entropía viene dada por el cociente entre el calor transferido y la temperatura de la fuente en un proceso reversible:

Como el proceso es efectivamente reversible, la entropía aumentará

ii.

Expansión adiabática: (2 → 3) La expansión isoterma termina en un punto tal que el resto de la expansión pueda realizarse sin intercambio de calor. A partir de aquí el sistema se aísla térmicamente, con lo que no hay transferencia de calor con el exterior. Esta expansión adiabática hace que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T2 en el momento en que el gas alcanza su volumen máximo. Al enfriarse disminuye

su energía interna, con lo que utilizando un razonamiento análogo al anterior proceso:

Esta vez, al no haber transferencia de calor, la entropía se mantiene constante:

iii.

Compresión isoterma: (3 → 4) Se pone en contacto con el sistema la fuente de calor de temperatura T2 y el

gas comienza a comprimirse, pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría. Al no cambiar la temperatura tampoco lo hace la energía interna, y la cesión de calor implica que hay que hacer un trabajo sobre el sistema:

Al ser el calor negativo, la entropía disminuye:

iv.

Compresión adiabática: (4 → 1) Aislado térmicamente, el sistema evoluciona comprimiéndose y aumentando su temperatura hasta el estado inicial. La energía interna aumenta y el calor es nulo, habiendo que comunicar un trabajo al sistema:

Al ser un proceso adiabático, no hay transferencia de calor, por lo tanto la entropía no varía:

Trabajo del ciclo

Por convención de signos, un calor o un trabajo positivos significan que el trabajo se realiza sobre el sistema, mientras que un signo negativo significa lo contrario. Es decir, un trabajo negativo significa que el trabajo es realizado por el sistema.

Como dU (diferencial de la energía interna) es una diferencial exacta su valor es el mismo al inicio y al final del ciclo, y es independiente del camino, la integral de dU vale cero, con lo que queda:

Por lo tanto, en el ciclo el sistema ha realizado un trabajo sobre el exterior

Teoremas de Carnot

i.

No puede existir una máquina térmica que funcionando entre dos fuentes térmicas dadas tenga mayor rendimiento que una de Carnot.

Para demostrarlo supondremos que no se cumple el teorema, y se verá que el no cumplimiento trasgrede la segunda ley de la termodinámica. Tenemos pues dos máquinas, una llamada X y otra, de Carnot, R, operando entre las mismas fuentes térmicas y absorbiendo el mismo calor de la caliente. Como suponemos que

y por definición

Donde y denotan el trabajo producido y el calor cedido a la fuente fría respectivamente, y los subíndices la máquina a la que se refieren. Como R es reversible, se puede hacer funcionar como máquina frigorífica. Como , la máquina X puede suministrar a R el trabajo que necesita para funcionar como máquina frigorífica, y X producirá un trabajo neto . Al funcionar en sentido inverso, R está absorbiendo calor de la fuente fría y está cediendo calor a la caliente.

El sistema formado por las dos máquinas funciona cíclicamente realizando un trabajo e intercambiando un calor con una única fuente térmica, lo cual va en contra del segundo principio de la termodinámica. Por lo tanto:

ii.

Dos máquinas reversibles operando entre las mismas fuentes térmicas tienen el mismo rendimiento.

Igual que antes, suponemos que no se cumple el teorema y veremos que se violará el segundo principio. Sean R1 y R2 dos máquinas reversibles, operando entre las mismas fuentes térmicas y absorbiendo el mismo

calor de la caliente, con distintos rendimientos. Si es R1 la de menor rendimiento, entonces .

Invirtiendo R1, la máquina R2 puede suministrar el trabajo para que trabaje como máquina frigorífica, y

R2 producirá un trabajo .

El sistema formado por las dos máquinas funciona cíclicamente realizando un trabajo e intercambiando un calor con una única fuente térmica, lo cual va en contra de la segunda ley. Por lo tanto:

Rendimiento

A partir del segundo teorema de Carnot se puede decir que, como dos máquinas reversibles tienen el mismo rendimiento, este será independiente de la sustancia de trabajo de las máquinas, las propiedades o la forma en la que se realice el ciclo. Tan solo dependerá de las temperaturas de las fuentes entre las que trabaje. Si tenemos una máquina que trabaja entre fuentes a temperatura T1 y T2, el rendimiento será una función de las dos como

Por lo tanto, el cociente entre los calores transferidos es función de las temperaturas de las fuentes. Nótese que como, por la segunda ley de la termodinámica, el rendimiento nunca pude ser igual a la unidad, la función f está siempre definida.

Consideremos ahora tres máquinas que trabajan entre fuentes a temperaturas tales que T1 > T3 > T2. La

primera máquina trabaja entre las fuentes 1 y 2, la segunda entre 1 y 3, y la tercera entre 3 y 2, de modo que desde cada fuente se intercambia el mismo calor con las máquinas que actúan sobre ella. Es decir, tanto la primera máquina como la segunda absorben un calor Q1, la segunda y la tercera ceden y absorben Q2

respectivamente y la primera y la tercera ceden Q3. De la ecuación anterior podemos poner, aplicada a cada

máquina:

Aplicando relaciones matemáticas:

Como el primer miembro es función solamente de T1 y T2, también lo será el segundo miembro,

independientemente de T3. Para que eso se cumpla f debe ser de la forma

De las distintas funciones que satisfacen esa condición, la más sencilla es la propuesta por Kelvin, Φ(T) = T,

con lo que el cociente entre calores queda

Trasladando este cociente a la definición de rendimiento:

Otra forma de llegar a este resultado es por medio de la entropía, definida como

De ahí se puede sacar los calores transferidos en los procesos 1 → 2 y 3 → 4:

Como puede observarse, el calor transferido con la primera fuente es positivo y con la segunda negativo, por el convenio de signos adoptado.

Se tiene finalmente el resultado deseado:

2.4 CICLO REAL

Todos los procesos reales tienen alguna irreversibilidad, ya sea mecánica por rozamiento, térmica o de otro tipo. Sin embargo, las irreversibilidades se pueden reducir, pudiéndose considerar reversible un proceso cuasi estático y sin efectos disipativos. Los efectos disipativos se reducen minimizando el rozamiento entre las distintas partes del sistema y los gradientes de temperatura; el proceso es cuasi estático si la desviación del equilibrio termodinámico es a lo sumo infinitesimal, esto es, si el tiempo característico del proceso es mucho mayor que el tiempo de relajación (el tiempo que transcurre entre que se altera el equilibrio hasta que se recupera). Por ejemplo, si la velocidad con la que se desplaza un émbolo es pequeña comparada con la del sonido del gas, se puede considerar que las propiedades son uniformes espacialmente, ya que el tiempo de relajación mecánico es del orden de V1/3/a (donde V es el volumen del cilindro y a la velocidad del sonido),

tiempo de propagación de las ondas de presión, mucho más pequeño que el tiempo característico del proceso,

V1/3/w (donde w es la velocidad del émbolo), y se pueden despreciar las irreversibilidades.

Si se hace que los procesos adiabáticos del ciclo sean lentos para minimizar las irreversibilidades se hace imposible frenar la transferencia de calor. Como las paredes reales del sistema no pueden ser completamente adiabáticas, el aislamiento térmico es imposible, sobre todo si el tiempo característico del proceso es largo. Además, en los procesos isotermos del ciclo existen irreversibilidades inherentes a la transferencia de calor. Por lo tanto, es imposible conseguir un ciclo real libre de irreversibilidades, y por el primer teorema de Carnot la eficiencia será menor que un ciclo ideal.

2.5 CICLO DE COMPRESION DE VAPOR DE UNA ETAPA

En la práctica no se utiliza el compresor isotérmico y el expansor se reemplaza por una válvula de

estrangulación. El circuito resulta más simple y la eficiencia resulta ser menor que en el ciclo de Carnot. El trabajo de compresión resulta mayor, puesto que la compresión isotérmica se reemplaza por una compresión adiabática, y no se recupera el trabajo que realizaría el fluido en el expansor.

La estrangulación del refrigerante en la válvula es un proceso isoentálpico y el calor extraído en el evaporador resulta entonces ser menor. La figura muestra el ciclo de compresión de una etapa.

Fig 3: Ciclo de compresión de una etapa

En este caso la eficiencia (ec) se expresa por medio de las entalpías (h) en los distintos estados.

W Q h h h h e h h Q h h W E c E = − − = − = − = 1 ' 2 ' 4 1 ' 4 1 1 ' 2

Fig 4: Diagrama P-h del ciclo de compresión

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El laboratorio cuenta con una unidad de refrigeración por compresión de vapor para uso docente, esta unidad utiliza como refrigerante el Freón 12 y posee un compresor, un condensador, un evaporador, una cámara de frío, un juego de tubos capilares como elementos constitutivos principales.

Las mediciones se deben realizar cuando el sistema se encuentra en régimen permanente, debiéndose registrar a lo menos las presiones, temperaturas, corrientes y voltajes del sistema.

Considerar el balance de energía para el condensador (1) y para el evaporador (2), según se indica:

(

)

(

_{se ee}

)

Freón sc ec Freón O H O H

h

h

m

I

V

h

h

m

T

Cp

m

−

⋅

=

⋅

⋅

−

⋅

=

Δ

⋅

⋅

− − 12 12

86

,

0

2 2

&

&

&

De las anteriores se obtiene que:

ee se sc ec O H O H

h

h

h

h

I

V

T

Cp

m

−

−

=

⋅

⋅

Δ

⋅

86

,

0

2 2

Pero como la entalpía a la salida del condensador (hsc), es igual a la entalpía a la entrada del evaporador

(hse) y debido a que la estrangulación es isoentálpica, éstas se pueden calcular.

La entalpía a la entrada del condensador (hec) es igual a la salida del compresor y se determina por la

presión y temperatura. La entalpía a la salida del evaporador (hse) corresponde a la presión del sistema.

3.1 EXPERIENCIA

La experiencia comienza con el reconocimiento y posterior individualización de todos los componentes con que cuenta la unidad de refrigeración, a continuación se debe fijar el termostato de la cámara de frío a aproximadamente -5 ºC. Cuando la cámara logra la temperatura deseada, ésta deja de funcionar y se debe obtener la lectura de cada instrumento de medición, repetir lo descrito anteriormente para los tres capilares.

Con los datos obtenidos se debe determinar:

1. La producción frigorífica. 2. Las eficiencias e y ec.

3. La eficiencia global del sistema. 4. El rendimiento del circuito. 5. El caudal del refrigerante. 6. Efecto refrigerante.

10. Determinar los puntos característicos en un diagrama de p-h (para Freón 12), correspondiente al estado del refrigerante en los distintos elementos del circuito y reconstruir el ciclo de refrigeración.

11. Realizar un estudio de los refrigerantes más utilizados en la actualidad, indicando a lo menos características, diferencias técnicas entre ellos, puntos propios y efectos de éstos en el medio ambiente.

4. CONTENIDO DEL INFORME

El contenido del informe deberá abarcar el desarrollo mínimo de los siguientes contenidos fundamentales: Teoría fundamental del experimento, objetivos de la experiencia, esquema de instalación, características técnicas de los equipos e instrumentos empleados, descripción del método seguido o procedimiento experimental, presentación de los resultados (tablas, gráficos, etc.), discusión de los resultados, conclusiones.

5. EVALUACION

El informe que debe entregar el alumno será evaluado de acuerdo a la siguiente ponderación:

Introducción, objetivos, marco teórico 0.5 pto. Descripción de instalaciones y equipos 0.5 pto. Descripción de la metodología utilizada 0.5 pto.

Presentación de resultados 3.5 ptos.

Discusión de resultados y conclusiones 2.0 ptos.

A la suma de los puntos indicados, se agregará el punto base correspondiente.

6. BIBLIOGRAFIA

ƒ DOOLITTLE J. S. “El Laboratorio del Ingeniero Mecánico” Mc Graw-Bill Bock Company, New York 19 Edc. en castellano por Edit. Hispano Americana S.A. Buenos Aires- Argentina, 1971.

ƒ H. P. HOLMANN “Métodos Experimentales para Ingeniero” Libros Mc Graw-Hill de México S.A. de C. V., 1977.

ƒ W. H. SEVERNS “La Producción de Energía Mediante el Vapor de Agua, el Aire y los Gases”. Edit. Reverté 1973.

ƒ GORDON J. VAN WYLEN “Fundamentos de Termodinámica Básica”, Ed. Limusa S.A., 1973

EXPERIENCIA Nº : 4

TÍTULO : RECONOCIMIENTO DE MOTORES

ASIGNATURA : TERMODINAMICA

1. OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA

1.1 OBJETIVO GENERAL

El objetivo de esta experiencia es dar un conocimiento a los alumnos los fundamentos de un motor térmico y sus componentes constructivos más importantes y funcionamientos teóricos, a través de reconocimientos de sus partes y elementos, dispositivos y accesorios de un motor de prueba de cuatro tiempos.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

ƒ Capacitar al alumno para desarrollar trabajos prácticos de laboratorio adquiriendo los conocimientos básicos del funcionamiento de los motores.

ƒ Medición de la presión de compresión de cada cilindro.

2. INTRODUCCION TEORICA

2.1 RESEÑA HISTÓRICA

En 1862 fue enunciado el ciclo de volumen constante por Beau de Rochar con el título "ciclo de cuatro tiempos".

Posteriormente el alemán Otto lo aplicó a un motor térmico denominándolo, ciclo Otto. Si bien históricamente Carl Benz ha sido considerado el padre del automóvil, ya que en 1885 fue el primer constructor de un motor de cuatro tiempos de encendido por bujías, no obstante, el primer antecedente al motor de Carl Benz, fue ideado por un belga de fértil imaginación llamado Etienne Lenoir, que construyó su primer modelo práctico veinticinco años antes que Benz, y que en aquel momento abrió la puerta de la evolución y estableció una serie de principios técnicos que han permanecido inmutables hasta hace pocos años. La primera vez que el ciclo de cuatro tiempos se empleó con éxito fue en 1876, en un motor construido por el ingeniero Nicholas August Otto.

La característica principal de un motor alternativo es que transforma la energía térmica en energía mecánica mediante uno o varios pistones, deslizándose con movimiento lineal por otros tantos cilindros de forma alternada y que tiene como misión transformar la energía térmica en energía mecánica que sea directamente utilizable para producir trabajo. El motor ciclo Otto es el convencional motor a gasolina, en tanto, el motor Diesel (en honor del ingeniero también alemán Rudolf Diesel), funciona con un principio diferente cuya función se basa en un ciclo termodinámico, en el cual se inyecta en la cámara de combustión el combustible después de haberse realizado una compresión de aire por el pistón. La relación de compresión de la carga del aire es lo suficientemente alta como para encender el combustible que se inyecta:

2.2 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO CICLO OTTO

El motor realiza sobre el fluido de trabajo un ciclo operativo, este puede ser de dos tipos: ciclo de cuatro tiempos y ciclo de dos tiempos.

Fig 1: Ciclo de cuatro tiempos

El ciclo de combustión es el conjunto de operaciones que se realizan en un cilindro desde que entra la mezcla carburada hasta que son expulsados los gases.

Se dice que el motor es de cuatro tiempos: Admisión, Compresión, Explosión y Escape.

Primer tiempo (Admisión): El pistón comienza un movimiento, descendente, entre el Punto Muerto Superior (PMS) y el Punto Muerto Inferior (PMI). El cigüeñal da media vuelta mientras que el pistón, al estar cerrada la válvula de escape y abierta la de admisión, succiona la mezcla carburada llenando, con ella, el cilindro.

Segundo tiempo (Compresión): El pistón retorna del PMI al PMS, permaneciendo las dos válvulas cerradas, comprime, progresivamente, la mezcla carburada, dando el cigüeñal otra media vuelta.

Tercer tiempo (Explosión): Una vez terminada la compresión salta la chispa de la bujía en el centro de la mezcla, que ha sido fuertemente comprimida, lo que hace que el pistón sea despedido con fuerza a su PMI, dando el cigüeñal otra media vuelta. Este tiempo de denomina de explosión o combustión, y las dos válvulas deben permanecer cerradas.

Cuarto tiempo (Escape): El pistón vuelve a subir a su PMS y en su camino limpia el cilindro de los gases resultantes del tiempo anterior, dado que la válvula de admisión permanece cerrada y la de expulsión abierta. El cigüeñal da otra media vuelta, cerrando el ciclo. Este es el ciclo de cuatro tiempos, en el que por cada explosión, de un mismo cilindro, el cigüeñal da dos vueltas completas, perdiendo gran parte de la fuerza entre explosión y explosión. Si combinamos cuatro cilindros de tal forma que por cada media vuelta haya una explosión, minimizaremos la perdida de fuerza.

Fig 2: Ciclo Otto Teórico

Fig 3: Ciclo de dos tiempos

La entrada y salida de gases al cilindro se realiza por unas lumbreras, que simplemente son unos orificios, situados en la pared del cilindro, que son descubiertos y cerrados por el propio pistón. El cárter está herméticamente cerrado y se comunica mediante un conducto con otra lumbrera del cilindro.

Primer tiempo (Admisión): El pistón comienza un movimiento, descendente, entre el Punto Muerto Superior (PMS) y el Punto Muerto Inferior (PMI). El cigüeñal da media vuelta mientras que el pistón, al estar cerrada la válvula de escape y abierta la de admisión, succiona la mezcla carburada llenando, con ella, el cilindro.

Segundo tiempo (Compresión): El pistón retorna del PMI al PMS, permaneciendo las dos válvulas cerradas, comprime, progresivamente, la mezcla carburada, dando el cigüeñal otra media vuelta.

2.3 CICLO DIESEL

Se trata del ciclo de un motor de combustión interna, en el cual el calor que produce la compresión se encarga de encender el combustible.

La secuencia de sus procesos es:

a) Admisión: En la carrera de admisión de un motor diesel penetra una carga completa de aire a cada cilindro.

b) Compresión: Durante la carrera de compresión, se eleva la temperatura del aire a causa de la alta relación de compresión. El combustible es atomizado en la cámara de combustión poco antes de llegar al punto muerto superior en la carrera de compresión.

c) Adición de calor: Se obtiene a partir de la quemada del combustible producida casi en el mismo instante en el que se introduce, debido a la alta temperatura del aire.

d) Expansión: Se expanden los productos de la combustión para producir potencia.

e) Escape: Salen los productos de la combustión después de expandirse para concluir el ciclo.

Fig 5: Funcionamiento del motor Diesel de 4 tiempos

2.4 SIMILITUDES Y DIFERENCIAS ENTRE CICLO OTTO Y CICLO DIESEL

•

En el motor encendido a chispa, para evitar la detonación, se procura que en ningún momento de la carga tenga lugar el encendido por compresión, en el motor Diesel, por el contrario, se trata de producirla, lo antes posible, para evitar que durante el período de retraso se verifiquen condiciones que favorezcan la detonación. Por ello los métodos para reducir la detonación son totalmente opuestos.

•

En el motor encendido a chispa el aumento de la relación de compresión acerca el peligro de la detonación, en los motores Diesel, la disminuye, porque aumentando la temperatura al final de la compresión, disminuye el retraso al encendido. El aumento de la relación de compresión requiere para los carburantes un aumento del número de octano, mientras que en la gasolina.

•

Los motores Diesel requieren mayor cantidad de aire para la combustión para compensar las malas condiciones de la mezcla y como dentro de ciertos límites la combustión es mejor cuanto mayor es el exceso de aire carburante, no es necesario regular la entrada de aire al variar el régimen y la carga, por lo tanto la variación de la carga se hace sólo sobre el combustible. Se tiene así la ventaja que a las cargas bajas, disminuyendo la resistencia a la entrada del aire por falta de la mariposa, aumenta el rendimiento por disminución de las pérdidas por bombeo. El motor suministra para cada regulación un par casi constante al variar el número de revoluciones.

Fig 7: Comparación entre motor Otto y Diesel

2.5 PARTES CONSTITUTIVAS DE UN MOTOR ENCENDIDO POR CHISPA.

Un motor de encendido por chispa se compone de diferentes partes que son primordiales dentro del sistema, tales como carburador, bomba de aceite, balancines, empujadores, culata, cárter, cadena de distribución, válvulas de admisión y escape, árbol de levas, bloque o block motor (donde están alojados los cilindros), pistones, bielas, cojinetes de bancada, cojinetes de biela, eje cigüeñal y volante de inercia.

Fig 8: Constitución de un motor Otto

A continuación se definirán algunos componentes del motor, queda a criterio del alumno, obtener las demás definiciones y funciones.

a) BLOQUE DE CILINDROS: Es una pieza fundida donde se encuentran distribuidos los cilindros. Los cilindros son unos orificios por donde se desplazan los pistones y su principal función es la de recibir la mezcla de aire y gasolina para luego comprimirla y hacerla explotar, generando la fuerza que se ha de transmitir finalmente a las ruedas.

c) CULATA: La culata es la pieza ubicada en la parte superior del bloque de cilindros. Es la tapa de todos los cilindros allí se ubican las bujías, las válvulas de admisión y de escape y los conductos de entrada y salida de gases. Se consideran gases de entrada la mezcla de aire y gasolina y como gases de salida el residuo de la combustión (CO, CO2, O2, HC)

d) PISTÓN: Es un elemento que se desplaza en movimientos ascendentes y descendentes dentro de cada uno de los cilindros. Comunica la fuerza que produce la combustión a la biela, quien a su vez se la trasmite al cigüeñal.

e) BIELA: Es un brazo que transmite el movimiento ascendente y descendente del pistón al cigueñal.

f) CIGUEÑAL: Es un eje con codos en forma de manivela, que reciben el movimiento ascendente y descendente del conjunto biela-pistón, para convertir este movimiento en uno giratorio que será transmitido finalmente a las ruedas (potencia).

2.6 SISTEMAS DEL MOTOR

Para poder funcionar un ciclo Otto en la realidad debe estar conectado con distintos componentes que en un conjunto determinado confeccionan un sistema, los principales sistemas de un motor son:

a) Sistema de Alimentación b) Sistema de Encendido c) Sistema de Refrigeración d) Sistema de Lubricación

a) Sistema de Alimentación

La alimentación a los cilindros del motor se hace mezclando la gasolina líquida depositada en el tanque, con el aire de la atmósfera. Mezcla que se realiza en el carburador si el vehículo posee este sistema, o cerca a los cilindros si el sistema es de inyección como la totalidad de los vehículos modernos con monopunto o multipunto. La gasolina es impulsada del tanque hacia el carburador o al sistema de inyección, por la bomba, que puede ser eléctrica ubicada generalmente dentro del tanque de gasolina (la menos se encuentran debajo del asiento posterior) o una bomba mecánica, adosada al bloque de cilindros en el motor y accionada por el árbol de levas. A continuación se observa una vista longitudinal de un vehículo donde se aprecia el sistema señalado.

Fig 9: Partes constitutivas de un automóvil

b) Sistema de Encendido