Termodinámica

Laboratorio

RENDIMIENTO EXERGETICO

Departamento De Ingeniería Mecánica

Laboratorio De Maquinas Térmicas

Cátedra:            TERMODINAMICA

Practica:            RENDIMIENTO EXERGETICO

Responsable:      Ing. Víctor Sergio SACCHETTO

                   

CONTENIDO

1.     Objetivos De La Practica.                                                                           

2.     Equipamiento Disponible.                                                                            

3.     Medición de presiones en fluidos, utilizando columnas piezométricas.  

4.       Medición de velocidades y caudales en fluidos, utilizando el Tubo de Prandlt.                                                                                              

5.     Medición de la potencia efectiva entregada por el motor eléctrico.      

6.     Identificación del sistema, planteo, solución analítica.                            

7.     Esquema de cálculo.                                                                                         

8.     Desarrollo De La Práctica                                                                             

9.     Supuestos y simplificaciones.                                                                          

10.   Bibliografía.                                                                                                                   

       11.   Cuestionario.                                                                                                     

       12.   Conclusiones e Informe.                                                                                   

                 

Dirigida a : Alumnos que cursen la materia “TERMODINAMICA” en cualquiera de las especialidades y hallan adquirido los conceptos básicos sobre : Sistemas, gases ideales y reales, primer principio de la termodinámica, segundo principio de la termodinámica, entropía, exergía, rendimiento exergético.

1.  Objetivos De La Practica:

· Aplicar sobre un equipo de uso común en la industria los conocimientos teóricos adquiridos sobre temas como :

Sistemas termodinámicos, régimen permanente.

Fluido real comportándose como fluido ideal.

Intercambios de  Energía entre Sistema y Medio.

Exergía, Rendimiento Exergético.

· Medición y/o determinación de :

Presión, Temperatura, Densidad.

Velocidad Del Flujo, Caudal Másico.

Potencia Efectiva

· Determinar la curva  de rendimiento exergético de un ventilador centrífugo operando en diferentes estados de carga.

 

El trabajo práctico a desarrollar se aproxima a lo que se conoce en la industria como el ensayo de recepción o determinación de curvas características de funcionamiento de un equipo, tema de suma importancia sobre el cual se profundizará en la cátedra  ” Mecánica De Los Fluidos ”.

·      Conversión de unidades.

    

·      Aplicación de la computadora con el fin de obtener los resultados del ensayo en forma numérica y gráfica.

2.  Equipamiento Disponible:

esquema de la instalación :

a)   Un ventilador centrífugo preparado especialmente con su estator basculante, brazo de palanca graduado y pesa calibrada de 1.5 Kg., que permite la medición de potencia efectiva en el eje del impulsor.

b)   Un conducto de impulsión con su correspondiente válvula mariposa de regulación de caudal.

c)   Un Tubo de PRANDLT, ( PITOT estático ),para la medición del gasto másico, ubicado en el conducto de impulsión.

d)   Dos  piezómetros de columna de agua, destinados a medir presión estática en la impulsión y la diferencia de presión en las tomas del tubo Pitot.

   e) Dos termómetros para la medición de las temperaturas de  aspiración y de impulsión.

   f)  Un tacómetro de contacto con el cual se registrará la  velocidad de rotación del ventilador.

  g)   Una computadora personal,  una impresora y programas preparados especialmente paraeste trabajo practico.

 

3.  Medición de presiones en fluidos, utilizando columnas piezométricas.

Las columnas piezométricas o manómetros de líquido, indican la magnitud de una presión mediante la altura de una columna de liquido manométrico.

La selección del fluido manométrico, (agua, mercurio, alcohol, etc.), está en función del rango de presiones a medir y las longitudes de las columnas piezométricas.

Si el manómetro está abierto a la atmósfera, y la densidad del liquido manométrico es muy grande

comparada con la del aire atmosférico y la del gas cuya presión se quiere medir, la lectura de la

presión se puede obtener sin mayor error por el valor de :

P1 = g . H + Pa

Donde : 

P1   = presión a medir

g= peso especifico del liquido manométric

H  = altura medida entre los dos meniscos del liquido manométrico

Pa  = presión atmosférica

Nota : el producto g . H indica la presión relativa.

* Ejemplo : Si el gas cuya presión se quiere medir es aire a bajas presiones, y el liquido manométrico es agua a presión atmosférica y temperatura ambiente, entonces el peso especifico del aire es de alrededor de 1,2 Kg. / m3 y el del agua de 1000 Kg. / m3

4.   Medición de velocidades y caudales en fluidos, utilizando el Tubo de Prandlt.

El tubo de Prandlt es un tipo especial de tubo de Pitot con nariz redondeada diseñado adecuadamente para que el valor de cierto coeficiente de calibración sea igual a  1.

Es utilizado para determinar velocidades en flujo de fluidos compresibles e incompresibles.

En general, la velocidad en una línea de corriente depende de su posición radial

siendo máxima en el centro del conducto y cero en las paredes del mismo.

Colocando el instrumento en distintas posiciones radiales podemos determinar el

perfil de velocidades para esa condición de operación. La forma de este perfil

depende de la condición de régimen laminar o turbulento del flujo.


Para el cálculo del caudal nos interesa la velocidad media que es la velocidad

supuesta constante a lo largo del radio del conducto, que nos brindaría el mismo

caudal que el perfil de velocidades obtenido

Si colocamos el instrumento en el centro del conducto, estaremos determinando

la velocidad máxima.

En ocasiones se determina experimentalmente un coeficiente de corrección que nos permite obtener la velocidad media por la expresión:

  Vmedia =  Coeficiente . Vmáxima

Para condiciones de operación similares a las esperadas en el ensayo, se ha determinado que el coeficiente es igual a 0.925.

Por lo antedicho podremos calcular la velocidad media por:

 Vmedia =  0.925 . Vmáxima

y el caudal por :

 Q = Vmedia . Area transversal del conducto.

 

5.   Medición de la potencia efectiva entregada por el motor eléctrico.

En el ventilador objeto del ensayo, se ha modificado el sistema de sujeción del motor eléctrico adecuadamente, de modo tal que permite la determinación de la potencia efectiva que el mismo está entregando.

El estator del motor eléctrico está soportado  por dos rodamientos concéntricos con el rotor, lo que le permite bascular sobre su eje.

Se dispone de un brazo de palanca graduado en mm. solidario con el estator y una pesa calibrada de 1,5 Kg. que puede deslizar sobre dicho brazo.

Quitando la  pesa, el sistema estator - brazo de palanca queda en equilibrio indiferente.

El estator basculante tiene topes limitadores de giro que le permiten apartarse unos pocos grados en mas o en menos, de la posición en la que el brazo se encuentra horizontal.

En condiciones estables de funcionamiento el estator tiende a girar en sentido contrario a la rotación del eje del ventilador, hasta que hace tope en los limitadores de giro.

En esas condiciones, ubicando la pesa P = 1,5 Kg. a una distancia L del centro de rotación, podemos restablecer el brazo a su posición horizontal. ( como en una balanza de tipo romana ).

En ese estado el producto P . L = Mt. es el momento torsor o torque desarrollado por el motor  eléctrico.

Si además medimos la velocidad de rotación n = v.p.m. podemos calcular la potencia efectiva entregada por el motor al eje del ventilador.

Destacando que esta  Ne = Mt . n  es la potencia mecánica efectivamente entregada por el motor.

6.  Identificación del sistema, planteo, solución analítica.

Utilizando la simbología aplicada en la cátedra y en muchos libros de termodinámica, podemos esquematizar la instalación como sigue :

Si elegimos como sistema termodinámico al aire que circula por el equipo y permanecen constantes la velocidad de rotación del impulsor y las condiciones en la entrada y la salida, tendremos entonces un sistema abierto a régimen permanente.

De experiencias realizadas previamente se desprende que :

El sistema pasará del estado 1:    t1 = t0,    p1 = p0,   V1 = 0  (reposo),  Z1

           al estado 2:    t2 > t1,    p2 > p1,   V2 > V1                  Z2  <  Z1.

El sistema recibe trabajo mecánico en el eje del impulsor, por lo que se espera que su variación de exergía sea positiva, además :

V2 > V1 implica una variación de energía cinética positiva.

Z2  <  Z1 implica una variación de energía potencial negativa.

Por otra parte puede transferir calor al medio pero a la temperatura del estado muerto.

 

Por lo antedicho se espera calcular el rendimiento exergético por:

 

 

7.   Esquema de cálculo.

a. Calculo de la potencia efectiva.

 

         

         Variación de exergía del medio = Ne

Ne = Potencia efectiva entregada por el motor de accionamiento.

n = velocidad de rotación del motor de accionamiento [ vpm ]

                                                             ( vpm    =  vueltas por minuto ).

L = brazo de palanca de la pesa P respecto del eje de rotación

el estator basculante del motor de accionamiento  [ mm ]

CV = Caballo vapor = 75  Kg . m  / seg.

b. Calculo del caudal másico.

           

        

         

                                   H = diferencia de presión entre las tomas del tubo de Prandlt

                                                                                      (Area transversal conducto)

                  (Caudal volumétrico)

  

Densidad del aire en el estado 2:                      

T2 ( absoluta ) =  t2 + 273,16

P2 ( absoluta ) =  g . H + Pa

 

mmca =  milímetros de columna de agua,  ( unidad de medida para presiones bajas )

Equivalencia :    1 mmca  =  1Kgr / m2

Presión( para 1mmca. )  =  g . H  = 1000 (kg. /m3)  .  0,001 m  = 1 kg. /m2

El caudal másico : m  [ Kg. / seg. ] = d2  [ Kg. / m3 ]  . Q   [m3/seg.]

c. Calculo de la variación de exergía del sistema.

 

b* = Exergía del sistema incluyendo energías cinética y potencial

D b* = Variación de exergía del sistema =  m . ( b*2  -   b*1 )    

D b* = m . [ cp . ( T2 - T1 )  - To . ( S2 - S1 )  +  ½ . ( w22 - w21 )  +  g . ( Z2 - Z1 ) ]

d.    Calculo del rendimiento exergético del proceso.


 

8.  Desarrollo De La Práctica:

a)  Puesta  en  marcha  del ventilador con su mariposa de regulación totalmente  cerrada,  se aguardará  el  tiempo       necesario para obtener un régimen estable de funcionamiento y entonces se procederá a medir los siguientes parámetros:

t1    : Temperatura ambiente en la zona de aspiración  [ ºC ]

p1   : Presión en la aspiración = presión atmosférica    [mmhg.]

t2    : Temperatura total del sistema en el punto 2,        [ ºC ]

p2   : Presión en la impulsión  ( relativa )                      [mmca.]

n     : Velocidad de rotación del impulsor                      [vpm.]

L     : brazo de palanca de la carga P = 1.5 Kg.             [ mm. ]

H    : Diferencia de presiones en las tomas del Pitot      [ mmca. ]

b)   Se repetirán las mediciones de los parámetros antes mencionados para distintas condiciones de funcionamiento, las cuales  se conseguirán  variando la  apertura  de la  válvula mariposa de regulación de caudal en el conducto de impulsión.

c)   Los datos obtenidos se volcaran en una tabla de  valores.

 

       Observado

Lectura Nº

 

t1 

ºC

 

p1

mmhg.

 

t2

ºC

 

p2

mmca

 

n

vpm

 

L

mm

 

H

mmca

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

  d) Obtención de resultados por computadora :

                   

                                 Utilización de una  planilla de cálculo preparada al efecto que brinda los resultados en forma numérica y gráfica.

Nota:  Los datos de una de las lecturas no se ingresarán al programa, quedando los mismos para que los alumnos realicen los cálculos en la forma acostumbrada.


9.  Supuestos y simplificaciones.

t2:    Temperatura total del sistema en el punto 2,  [ ºC ], es la  correspondiente  al  estado  de  

        estancamiento para el  fluido en el conducto de impulsión.

        

Puesto  que el termómetro está  en reposo respecto del flujo de  aire, que tiene en la impulsión una entalpía  h2 y una velocidad media w, es necesario realizar una  corrección que surge de:

                                     h2 =  h2 + (1/2). w2    de donde:

                                     cp.t2 = cp.t2 + (1/2). w 2

                                     t2 = t2 -  (1/2). w 2 / cp  =  t2  -  tdinámica

 

             Donde t2 es la temperatura estática del estado 2,

             que obtendremos por cálculo en función  de t2 y w.

             t2  es la temperatura que registraría un termómetro

             que  viajara junto con el fluido a una velocidad w.

Para las condiciones de operación esperadas en el ensayo y de acuerdo a experiencias previas realizadas, se desprende que puede despreciarse esta corrección y por  lo tanto sin mayor error

será :      t2’ =  t2

10. Bibliografía.

Titulo      :  “ TERMODINAMICA  TECNICA ”

Autor      :     Carlos A. GARCIA

Editorial  :     Librería y Editorial ALSINA

Titulo      :  “ TERMODINAMICA ”

Autor      :     FAIRES - SIMMANG

Editorial  :     U.T.H.E.A.

Titulo      :  “ MECANICA DE LOS FLUIDOS ”

Autor      :     Víctor L. STREETER - E. Benjamin WYLIE

Editorial  :     Mc.  Graw Hill

Titulo      :  “ FISICA  Parte I ”

Autor      :     RESNICK - HALLIDAY

Editorial  :     C.E.C.S.A.

11. Cuestionario.

a)    En el estado 1, conducto de aspiración, puede considerarse al aire como gas ideal ?

b)   En el estado 2, conducto de impulsión, puede considerarse al aire como gas ideal ?

c)    Es despreciable la variación de energía potencial ?

d)   Es despreciable la variación de energía cinética ?

e)    Puede determinar si el flujo es laminar o turbulento ?

f)     Puede determinar si el flujo es subsónico ?

g)    En un equipo industrial no contará con la posibilidad de modificar el montaje del motor eléctrico para medir el par.

     En ese caso : cómo determinaría la  potencia entregada por el motor eléctrico ?

     Justificar cada una de las respuestas

12.   Conclusiones e Informe:

               Los alumnos deberán realizar un relevamiento de la instalación,  tomando nota  de las características del motor de accionamiento, impulsor y dimensiones  del conducto de impulsión, etc. y presentar un informe de la práctica que incluya una interpretación de los resultados y las respuestas al cuestionario.