UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL LIC. EN INGENIERÍA INDUSTRIAL Materia Termodinámica Laboratorio #10 Profesor Aníbal Vigil Estudiante Carol De León (8-891-1340) Edward González (8-986-1246) Jeremy Miranda (8-972-736) Melanie Diaz (8-965-193) Grupo 9II131 PRIMER SEMESTRE 2022 Introducción La primera Ley de la Termodinámica establece que, aunque la energía tome muchas formas, la cantidad total de energía es constante, y cuando la energía desaparece en una forma, aparece en otra. La ecuación de conservación de energía en forma de razón de cambio para sistemas abiertos se expresa como, Q̇neto,ent − Ẇneto,sal = m(Δh+Δeċ + Δep) Muchos dispositivos de uso común en ingeniería operan, en esencia, bajo las mismas condiciones durante periodos largos. Por ejemplo, los componentes de una termoeléctrica (turbinas, compresores, intercambiadores de calor y bombas) operan sin parar durante meses antes de detener el sistema para mantenimiento, por lo tanto, pueden ser analizados de manera conveniente como dispositivos de flujo estacionario. Los procesos en los que se utilizan estos dispositivos pueden ser estudiado suponiendo la ocurrencia de procesos idealizados, llamados “procesos de flujo estacionario”. Cuando ocurre un proceso de flujo estacionario, ninguna propiedad intensiva o extensiva dentro del volumen de control varía en función del tiempo transcurrido. Por lo tanto, el flujo másico y el contenido de energía total del volumen de control permanecen constantes. Compresor: la energía contenida en el torque de un eje que se mueve se aprovecha para incrementar la presión de un fluido. Bomba de calor: es una máquina termodinámica formada por un circuito frigorífico clásico (un compresor, condensador, sistema de expansión y evaporador). En la evaporación se sustrae energía del medio ambiente en forma de calor, que absorbe el fluido usado a temperatura constante pasando de líquido a gas, teniendo lugar un cambio de estado a presión constante. En la condensación se libera energía al medio que se pretende calentar. El calor total cedido por el condensador será igual al calor absorbido por el evaporador en el foco frío más el calor resultante de la transformación del trabajo mecánico realizado por el compresor que se transforma en calor. En este informe estaremos tocando el tema de "Primera Ley de la Termodinámica en bombas y compresores", en el cual estaremos viendo el comportamiento de un flujo estable y estado estable de equipos para comprimir sustancias. Adicionalmente Utilizaremos TermoGraf v5.7 para analizar las sustancias de trabajo, como el agua y se estudiaran los términos de potencias en un volumen de control y unidades del sistema internacional para modelos de sustancias reales Procedimiento: Enunciado: Se pretende comparar el consumo de energía por unidad de tiempo, necesario para el funcionamiento de una bomba y un compresor, bajo la misma demanda de operación (trabajo de compresión). Se analizará el funcionamiento de ambos dispositivos para el caso de agua como fluido de trabajo. El flujo másico que pasa a través de ambos dispositivos es de 0.5 𝑘𝑔/𝑠. 1. Con ayuda del instructor, configure TermoGraf V5.7 para análisis de la sustancia de trabajo, agua; en un volumen de control y unidades del sistema internacional. Considere modelo de sustancia real. 2. Grafique tres procesos de compresión adiabática, en diagramas de 𝑇 − 𝑣𝑠 − 𝑠 y 𝑃 − 𝑣𝑠 − 𝑣 en el software. Para la bomba, el fluido de trabajo a la entrada es líquido saturado; y para el compresor, es vapor saturado. Se elevará la presión de ambos fluidos desde una presión de 100 kPa a 500 kPa, de 500 kPa a 2500 kPa y de 5000 kPa a 10000 kPa. 3. Llene las tablas mostradas a continuación, sus tablas de propiedades del agua. De igual manera, obtenga la tabla de propiedades dada por el software en uso. Proceso 1-2 3-4 5-6 Presión a la entrada (𝑘𝑃𝑎) 100 500 2500 Presión a la salida (𝑘𝑃𝑎) 500 2500 10000 Temperatura Temperatura final (°C) inicial (°C) 99.6164 152.011 224.77 99.5803 151.812 223.951 Entalpía final (𝑘𝐽/𝑘𝑔) Entalpía inicial (𝑘𝐽/𝑘𝑔) 418.398 641.975 971.362 417.981 639.79 962.419 Tabla N°1. Propiedades del agua antes y después de su paso a través de bombas, entre los niveles depresión indicados. Figura N° 1. 𝑇 − 𝑣𝑠 – 𝑠: 100 kPa a 500 kPa Figura N°2. 𝑃 − 𝑣𝑠 −v: 100 kPa a 500 kPa Figura N°3. 𝑇 − 𝑣𝑠 – 𝑠: 500 kPa a 2500 kPa Figura N°4. 𝑃 − 𝑣𝑠 −v: 500 kPa a 2500 kPa Figura N°5. 𝑇 − 𝑣𝑠 – 𝑠: 2500 kPa a 10000 kPa Figura N°6. 𝑃 − 𝑣𝑠 −v: 2500 kPa a 10000 kPa Proceso Presión a la entrada (𝑘𝑃𝑎) Presión a la salida (𝑘𝑃𝑎) 1-2 3-4 5-6 100 500 2500 500 2500 10000 Temperatura final (°C) 272.739 344.796 410.127 Temperatura inicial (°C) 99.5803 151.812 223.951 Entalpía final (𝑘𝐽/𝑘𝑔) 3007 3113.44 3126.28 Entalpía inicial (𝑘𝐽/𝑘𝑔) 2674.52 2747.72 2802.08 Tabla N°2. Propiedades del agua antes y después de su paso a través de compresores, entre los niveles de presión indicados. Figura N°7. 𝑇 − 𝑣𝑠 – 𝑠: 100 kPa a 500 kPa Figura N°8. 𝑃 − 𝑣𝑠 −v: 100 kPa a 500 kPa Figura N°9. 𝑇 − 𝑣𝑠 – 𝑠: 500 kPa a 2500 kPa Figura N°10. 𝑃 − 𝑣𝑠 −v: 500 kPa a 2500 kPa Figura N°11. 𝑇 − 𝑣𝑠 – 𝑠: 2500 kPa a 10000 kPa Figura N°12. 𝑃 − 𝑣𝑠 −v: 2500 kPa a 10000 kPa 4. Con base en las suposiciones realizadas, efectúe balances de energía en cada proceso manualmente y utilizando la herramienta de Balance de Energía del software. Complete lasiguiente tabla. Proceso Bomba Potencia (𝑘W) Compresor Potencia (𝑘W) 1-2 3-4 5-6 -0.208645 -1.092355 -4.47133 -166.2395 -182.857 -162.102 Tabla N°3. Potencia consumida por la bomba y el compresor en cada proceso. 5. Calcule el trabajo de la bomba y del compresor utilizando las expresiones 5, 6 y 7 y evalúe los porcentajes de error obtenidos con respecto a los resultados tabulados en la Tabla N°3 Proceso Bomba 1-2 3-4 5-6 Potencia (𝑘W) Porcentaje de error (%) 0.2086 1.093 4.48875 0.02 0.06 0.39 Compresor- Modelo Perfecto Potencia Porcentaje de (𝑘W) error (%) 179.1820253795 221.93931936 278.05478688 7.22 17.61 41.70 Compresor- Modelo Ideal Potencia (𝑘W) Porcentaje de error (%) 282.226226115 396.52919184 612.526725135 41.10 53.89 73.54 Tabla N°4. Potencia consumida por la bomba y el compresor en cada proceso. Cálculos Para las bombas Ẇ 𝑏, e𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑚̇̇ 𝑣∆𝑃 𝑊 = 0.5 𝑘𝑔⁄𝑠 (1.043 × 10−3 )(500𝑘𝑃𝑎 − 100𝑘𝑃𝑎) = 0.2086 𝑊 = 0.5 𝑘𝑔⁄𝑠 (1.093 × 10−3 )(2500𝑘𝑃𝑎 − 500𝑘𝑃𝑎) = 1.093 𝑊 = 0.5 𝑘𝑔⁄𝑠 (1.197 × 10−3 )(10000𝑘𝑃𝑎 − 2500𝑘𝑃𝑎) = 4.48875 Para los compresores modelo perfecto Ẇ 𝑐, e𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑚̇̇ 𝑐𝑝, 𝑝𝑟o𝑚̇∆𝑇 𝑊 = 0.5 𝑘𝑔⁄𝑠 (2.06957)(272.739°𝐶 − 99.5803°𝐶) = 179.1820253795 𝑊 = 0.5 𝑘𝑔⁄𝑠 (2.30008)(344.796°𝐶 − 151.812°𝐶) = 221.93931936 𝑊 = 0.5 𝑘𝑔⁄𝑠 (2.98701)(410.127°𝐶 − 223.951°𝐶) = 278.05478688 Para los compresores modelo ideal Ẇ 𝑐, e𝑛𝑡𝑟𝑎 = 𝑚̇̇ (𝑐𝑝,2𝑇2 − 𝑐𝑝,1𝑇1) 𝑊 = 0.5 𝑘𝑔⁄𝑠 (2.06957 × 272.739°𝐶 − 0) = 282.226226115 𝑊 = 0.5 𝑘𝑔⁄𝑠 (2.30008 × 344.796°𝐶 − 0) = 396.52919184 𝑊 = 0.5 𝑘𝑔⁄𝑠 (2.98701 × 410.127°𝐶 − 0) = 612.526725135 Figura N°13. Balance de energía proceso 1-2, para la bomba. Figura N°14. Balance de energía proceso 3-4, para la bomba. Figura N°15. Balance de energía proceso 5-6, para la bomba. Figura N°16. Balance de energía proceso 1-2, para el compresor. Figura N°17. Balance de energía proceso 3-4, para el compresor. Figura N°18. Balance de energía proceso 5-6, para el compresor. Análisis: 1. Entre las bombas y compresores, de manera general; y considerando un mismo aumento de presión ¿Cuál equipo presenta mayor consumo de potencia? Analizando Analizando los resultados obtenidos en las tablas, podemos concluir que los compresores presentan un mayor consumo de potencia que las bombas. 2. Con base en el resultado previo, ¿A qué cree que se debe la diferencia verificada en cuanto al consumo de cada equipo? Explique. Con base al resultado previo podemos concluir que la diferencia se debe a que los compresores realizan un mayor trabajo que las bombas, lo cual nos dice que los compresores transfieren mucha más energía de un sistema a otro mediante fuerzas para producir un desplazamiento, adicional sabemos que los compresores son dispositivos que se utilizan para incrementar la presión de un fluido, al igual que las bombas, con la diferencia que el primero utiliza gases y las bombas, líquidos. 3. ¿Para cada uno de los procesos de compresión simulados, cuántos dispositivos del equipo de menor consumo debería instalar para igualar el consumo global del conjunto; al del equipo de mayor consumo? ¿Se puede considerar un mismo “trabajo por unidad de presión” para todos los procesos? Explique Analizando los valores obtenidos, se establece que el consumo global del conjunto es de 511.1985. Por lo tanto, en el proceso 5-6 el cual es el equipo con menor consumo se necesitaría instalar 3.15 dispositivos para igualar el consumo global del conjunto. En el caso del equipo de mayor consumo, el cual sería el del proceso 3-4, se necesitaría instalar 2.79 dispositivos para igualar el consumo global del conjunto. 4. Escribe una tabla con los valores, del volumen del líquido saturado y el del vapor saturado en el caso del agua a 100 ºC, 200 ºC y 300 ºC. Represéntalo sobre una curva P − vs − v en TermoGraf V5.7 y explica por qué, pese a que la temperatura es mayor, el volumen del vapor es cada vez menor, mientras ocurre lo contrario en el caso del líquido. ¿Tiene esto relación con el comportamiento verificado en las bombas y compresores? Volumen Temperatura (°C) Líquido Saturado Vapor Saturado 100 0.001043 1.6720 200 0.001157 0.12721 300 0.001404 0.021659 Figura N°19. Grafica P vs v de Líquido y vapor saturado El volumen del vapor disminuye a medida que la temperatura aumenta, esto es porque para el caso de los compresores la presión aumenta, esto causa la reducción el volumen del gas/vapor, es decir lo comprime. Para el caso del líquido saturado es lo contrario, esto debido a que las bombas desplazan un líquido de un lugar a otro aplicando presión sin necesidad de comprimirlo. 5. ¿Cuáles son las suposiciones realizas en cuanto al comportamiento de una bomba para poder utilizar la expresión 5? ¿Qué observa en cuanto al porcentaje de error al aumentar ∆P? La suposición que se hace es que la expresión dada con relación a la bomba es que la diferencia de potencia no es muy variada ya que en la bomba trabaja con los líquidos y lo mantiene en constante en sus procesos por eso el porcentaje de error no es tan grande incluso podría llegar a nada de diferencia. las velocidades, con excepción de turbinas y ventiladores, son demasiado bajas para causar algún cambio importante en su energía cinética; el proceso se puede asumir a presión constante ya que la variación es casi mínima, por lo que se trabaja con el cambio de presiones de los estados del proceso. En cuanto al porcentaje de error al aumentar ∆P, se observó que aumentó a medida que la diferencia de presiones se hacía más grande. 6. . ¿Qué se observa en cuanto a los porcentajes de error producto de utilizar los modelos de sustancias ideal y perfecto? ¿Qué relación existe entre estos valores y el factor de compresibilidad Z del fluido de trabajo? Los porcentajes de error que obtenemos al realizar los modelos de las sustancias ideal y perfecto, vemos que entre más decimales usamos, menor será el porcentaje de error que obtendremos. Esto se da porque los valores obtenidos son muy similares y a medida que se aumentan los decimales, la exactitud de la medida aumentará. En el lado del modelo ideal se puede observar que es menor el porcentaje de error. El factor de compresibilidad Z es una propiedad que nos permite aplicarle las leyes de un gas ideal a un gas real. Para los ideales Z = 1 y para los reales este valor puede ser mayor o menor que este. Si llegamos a suponer que el vapor utilizado será un gas ideal y que su región también será la de un gas ideal entonces su porcentaje debe ser menor a 1. 7. Investigue y explique al menos 2 aplicaciones industriales que se dan a las bombas y a los compresores de vapor. Bombas: En la industria textil, las bombas de fabrica textiles manejan colorantes, agua, sulfuros de carbono, ácidos, sosa cáustica, sosa comercial, acetatos, solventes, decolorantes, alcoholes, sales, peróxidos de hidrógeno, sales, engomado y butano. Se usan muchas bombas de medición y dosificación en las aplicaciones textiles para manejar las soluciones de decolorantes, control de pH del agua de lavado de las fibras sintéticas, control de color en el teñido, carbonización de la lana. Compresores: Existen los destiladores de compresión de vapor, son comúnmente utilizado en submarinos mayormente de diésel. Este destilador es impulsado mecánicamente y se utiliza ya que no se obtiene el vapor necesario. Funciona de la siguiente manera: el agua de mar entra al evaporador que procederá a hervirla. Este proceso generará vapor que luego será comprimido. Este vapor será el que hará que se logren calentar los serpentines que están en el evaporador. Conclusión Esta experiencia de laboratorio se busca comprender el comportamiento de “flujo estable y estado estable” de equipos como bombas y compresores utilizados para comprimir sustancias, identificando las diferencias entre ambos. Llevamos a cabo los procedimientos con ayuda del TermoGraf V5.7 y las tablas de propiedad de agua y aire, realizando paso a paso cada uno de los puntos dentro del laboratorio. Logrando los objetivos tales como: aplicar la primera ley termodinámica a equipos de f.e.e.e, comparar el consumo de energía por unidad del tiempo, para el funcionamiento de tanto de una bomba como de un compresor e identificar la compresión de líquidos y gases. Referencias: 1. 2. Çengel, Y., Boles, M., 2008, TERMODINÁMICA, Sexta Edición, McGraw-Hill. Wark, Kenneth Jr.; Richards, Donald “Termodinámica” 6ta Edición; Editorial McGraw Hill; España, 2001.
