OPERACIONES UNITARIAS-MÓDULO DE BANCO DE PISTONES

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1. RESUMEN EJECUTIVO

En el informe presentado correspondiente al Modulo de Banco de Pistones, tiene por objetivo principal la determinación de la eficiencia del módulo y hacer una comparación en la determinación del trabajo mecánico por dos fluidos distintos, datos obtenidos por el movimiento del pistón, originado gracias a que añadimos masas de distintos pesos en este caso masas de 0,250 kg, 0,500 kg, y 1,000 kg. En el sistema de flujo de aire, se administró una presión al tanque con ayuda de una compresora controlando una presión adecuada que sea mayor a 5 PSI y menor a 7 PSI que serían los límites establecidos para la práctica, una vez establecida la presión para trabajar procedemos a la toma de datos experimentales que nos ayudaran a calcular el caudal, el trabajo perdido, el trabajo mecánico, la velocidad, el volumen de aire contenido en el pistón y la distancia recorrida, obteniendo su mayor eficiencia en 39,99% con una masa de 1,00 kg y una presión de 6 PSI. En el sistema de flujo de agua, la carga estática determinara la fuerza de impulso que adquirirá el pistón para su desplazamiento con ayuda de masas con pesos conocidos obteniendo su mayor eficiencia de 4,77% con la masa de 1,500 kg.

2. INFORMACIÓN BÁSICA SOBRE LA EXPERIENCIA

2.1. INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES

Pistón

Es un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos. Efectúa un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el cambio de presión y volumen del fluido, está compuesta por tres partes que son: la cabeza, el cuerpo y la pollera o falda. La parte superior o cabeza es la parte más reforzada del mismo ya que se encarga de recibir el empuje de la expansión de los gases dentro del cilindro durante el desarrollo del ciclo. Se trata de un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados segmentos o anillos. Efectúa un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro a modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el cambio de presión y volumen del fluido. En función del tipo de cilindro y pistón, de los materiales empleados y del fluido hidráulico empleado se puede realizar el cálculo de la fuerza que es capaz de transmitir el pistón en unas condiciones dadas. La fuerza realizada por el pistón es constante desde el inicio hasta la finalización del movimiento de carrera lineal. El tipo de fuerza que puede realizar es o bien de tracción o bien de compresión.

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2.2. OBJETIVO Y ALCANCE DE LA EXPERIENCIA

Determinar la eficiencia del modulo

Determinación y comparación del trabajo producido por el pistón originado por 2 fluidos (agua y gas)

2.3. INFORMACIÓN BIBLIOGRAFICA

En mecánica de fluidos, un flujo se clasifica en compresible e incompresible, dependiendo del nivel de variación de la densidad del fluido durante ese flujo.

Fluidos comprensibles: La incompresibilidad es una aproximación y se dice que el flujo es incompresible si la densidad permanece aproximadamente constante a lo largo de todo el flujo. Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuando el flujo o el fluido es incompresible. En esencia, las densidades de los líquidos son constantes y así el flujo de ellos es típicamente incompresible.

Fluidos comprensibles: fluidos son compresibles, incluyendo los líquidos. Cuando estos cambios de volumen son demasiado grandes se opta por considerar el flujo como compresible (que muestran una variación significativa de la densidad como resultado de fluir)

Caudal: En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.

Trabajo: “El trabajo es una transferencia de energía a través de la frontera de un sistema asociada a un cambio en las variables macroscópicas.”

Eficiencia (Rendimiento): La idea de rendimiento va unida a la de trabajo, cuando una máquina se usa para transformar, energía mecánica en energía eléctrica o energía térmica en energía mecánica, su rendimiento puede definirse como la razón entre el trabajo que sale (trabajo útil) y el que entra (trabajo producido), o como la razón entre la potencia que sale y la que entra, o como la razón entre la energía que sale y entra

La presión: mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea.

2.4. IDENTIFICACIÓN Y ANÁLISIS DE VARIABLES

Las variables que van a influir:

Masa de las pesas: importante para calcular el trabajo mecánico.

Presión: cuando hablamos del fluido compresible.

Volumen del pistón: como referencia para el cálculo del área.

Trabajo del fluido: la suma de la energía cinética, la energía potencial y el trabajo perdido.

Trabajo de las pesas: el trabajo realizado por la pesa al bajar, es el que se realiza sobre el sistema pistón y su contenido.

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13

9

10

u

n

g

g

M

D

Po ,Pf,R,T

PM,V,

Eficiencia

2.5. PRESENTACIÓN DE LOS MODELOS MATEMÁTICOS 2.5.1. ALGORITMO:

Para Sistema Pistón y Contenido con Fluido Incompresible : AGUA

Para Sistema Pistón y Contenido con Fluido Compresible :AIRE

2.5.2. MODELAMIENTO MATEMÁTICO:

Sistema: pistón y su contenido.

Sistema semi-abierto (solo entrada).

Asumimos estado estacionario (la variación de volumen es pequeña y ocurre a velocidad constante).

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9

10

u

Zg

g

M

D

n

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Aplicamos la ecuación de balance de Energía Mecánica:

El término de salida se anula.

Asumimos La Variación De Presión despreciable.

El Trabajo Mecánico entra al Sistema Pistón y Contenido, por lo tanto es negativo

……….……………………..… (1)

……………………………….… (2)

……………………………….… (3)

Para El Sistema Pistón y su Contenido para un Fluido compresible: AIRE

Se asume que hay variación de Presión

…………………………….… (4)

…………………………….… (5)

……………………………….… (6)

……………………………….… (7)

Remplazado (7) en ecuación (5)

……………………………….… (8)

Trabajo Mecánico

……………………………….… (9)

Dónde:

M: masa de la pesa

g: aceleración de la gravedad

D: distancia recorrida

Eficiencia

……………………………….… (10)

Trabajo de Perdida

……………………………….… (11)

Reemplazando (11) en (3)

……………………………….… (12)

Reemplazando (11) en (8)

……………………………….… (13)

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2.6. EQUIPOS, INSTRUMENTOS, MATERIALES E INSUMOS, A EMPLEAR 2.6.1. Materiales e Instrumentos

Compresora.

Pesas de diferentes masas.

Cronometro.

Cinta métrica

Termómetro

Balanza

2.6.2. Insumos

Agua

Aire a presión

2.7. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Verificar que el equipo se encuentra en buen estado, revisando todas las conexiones de mangueras al tanque de presión y al tanque de agua.

Revisar que la válvula de paso está en perfectas condiciones.

Retirar el fluido que se encuentra en el cilindro del pistón, dejándolo libre para su utilización.

Establecer la presión y la carga estática a trabajar para la toma de datos experimentales.

Colocar la pesa determinada en el extremo del embolo y dejar caer.

Anotar el tiempo que demora en llenarse el cilindro del pistón.

Volver a repetir la experiencia con diferentes pesos.

Agua

a

Aire

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2.8. ANÁLISIS DE RIESGOS

Escape de aire de la compresora:

Un escape abrupto de aire puede producir una caída al piso de instrumentos sensibles

Medida de seguridad Controlar la presión en el manómetro Utilizar lentes de seguridad y guantes

Piso mojado:

Al llenar el tanque podemos dejar caer agua al piso provocando posibles resbalones

Medida de seguridad

Tener un trapeador a la mano Tener cuidado al llenar el tanque

Conexiones eléctricas:

Al conectar la compresora de aire al tomacorriente para aumentar la presión en el tanque

Medida de seguridad

Usar guantes aislantes para la manipulación del compresor

Fugas que pueden ocurrir entre las conexiones:

Puede escapar algún fluido (gas, líquido), que pueda ser toxico o que tenga valores exagerados de pH que podrían dañar la integridad del estudiante

Medida de seguridad Usar el respectivo uniforme de seguridad para proteger la integridad del estudiante Camisa de seguridad, casco de seguridad

2.9. DISEÑO DE LA EXPERIMENTACIÓN

2.9.1. Tenemos 4 variables manipulables

La resistencia de la válvula: se utilizara 3 resistencias diferentes.

La presión: solo en el caso del fluido compresible.

Las pesas: se utilizaran 3 pesas diferentes (250, 500,1000) gr.

Se utilizara tres fluidos; agua y aire.

2.9.2. Variables de respuesta:

El trabajo mecánico

El trabajo del fluido

La eficiencia

2.9.3. Datos adicionales:

Densidad del agua 1000 Kg./m3

Temperatura 17 °C

Constante de los gases ideales R=8.314 J/mol K

Peso molecular del aire 28.96 gr./mol

Densidad del aire 1,18 kg/m3