PRÁCTICA DEFINITIVA.docx

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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CARTAGENA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA INDUSTRIAL GRADO EN INGENIERÍA MECÁNICA TERMODINÁMICA APLICADA INFORME PRÁCTICAS CURSO 2013/2014 Alumno: IGNACIO DE LA COTERA LÓPEZ

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INFORME DE PRCTICAS DETERMODINMICA APLICADA

UNIVERSIDAD POLITCNICADE CARTAGENA

Escuela TCNICA SUPERIOR de IngenierA INDUSTRIALGRADO EN INGENIERA MECNICA

TermodinmICA APLICADA

INFORME PRCTICAS CURSO 2013/2014Alumno: IGNACIO DE LA COTERA LPEZ

INDICE DEL INFORME

PRACTICA 1.- COMPORTAMIENTO P-V-T DE SUSTANCIAS PURAS. ESTUDIO DEL EQUILIBRIO LQUIDO VAPOR.

PRACTICA 2.- EL GAS IDEAL.

PRACTICA 3.- EFECTO JOULE-THOMSON.

PRACTICA 4.- ANLISIS TERMODINMICO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIN Y BOMBA DE CALOR. DETERMINACIN DE LOS COEFICIENTES DEL CICLO Y DEL COMPRESOR.

PRACTICAS DE INFORMATICA.-

Problema 1: Expansin de R-407c a travs de una vlvula.

Problema 2: Ciclo de refrigeracin.

PRACTICA 1.- COMPORTAMIENTO P-V-T DE SUSTANCIAS PURAS. ESTUDIO DEL EQUILIBRIO LQUIDO VAPOREsta prctica consista en medir la temperatura de vaporizacin de agua de grifo con diferentes presiones. Los datos obtenidos en el laboratorio durante la prctica fueron los que estn recogidos en la tabla.(mbar)150300450600750

P (mbar)173307448601748993

T (C)5770798793102

Se puede comprobar a simple vista que aumenta la temperatura de ebullicin cuando aumente tambin la presin ejercida.

1. Representar la lnea de vaporizacin del diagrama de fases a partir de los datos obtenidos.

2. Ajustar los datos obtenidos en la prctica mediante una regresin lineal: P=A+BT.

En un ordenador que haba en el laboratorio, utilizamos un programa que resolva este tipo de problemas. Nos deca que A= -906.76 y B= 17.98, con un R= 0.985, lo que nos dice que es un ajuste prcticamente fiable a la totalidad (aunque no es seguro al 100 %). La presin quedara con la expresin P= -906.76+17.98T.

Qu ocurre si calculamos mediante la recta ajustada la presin de saturacin correspondiente a 5 C? P= -906.76+17.985= -816.86 mbar < 0 mbar, lo que es imposible; as pues, podemos comprobar que la presin no depende de la temperatura de forma lineal.

3. Compara el resultado obtenido en el apartado anterior con el obtenido al ajustar los datos a una ecuacin del tipo: ln P = A . Aqu A= 2.9615 y B= 0.3901 segn el mismo programa utilizado en el apartado anterior, con un R= 0.99 (ms fiable que la regresin lineal).

Esto es una simplificacin de la ecuacin de Clapeyron-Clausius, bastante exacta en la mayora de los casos, y que indica que la presin de vapor de un lquido es casi una funcin exponencial de la temperatura. Se despeja aqu la presin de la nueva ecuacin:. Sustituyendo para 5 C, se obtiene que la presin es de 23.4967 mbar.

4. Segn el principio de los Estados Correspondientes, qu ocurrira si dibujramos los datos de frente a 1/ obtenidos para el agua, frente a los obtenidos para cualquier otra sustancia?La presin reducida viene dada por la expresin y la temperatura , donde Tc=647.4 K y Pc= 218 atmsferas son la temperatura y la presin crtica para el agua (H20). Tomando valores para T, obtendremos unos valores concretos para Tr, anlogamente con Pr.

P (atm)Pr (atm)T (K)Tr (K)1/Tr (K-1)Log(Pr)

0,160,003300,511,96-3,13

0,310,003450,531,88-2,84

0,470,003550,551,82-2,67

0,650,003590,551,80-2,52

0,760,003660,571,77-2,46

0,910,003720,571,74-2,38

Y la tabla que buscbamos es la siguiente:

Ahora se sigue el mismo procedimiento para el amonaco, el que tiene una presin y temperatura 111.3 atmsferas y 405.4 K crticas, respectivamente. Se consigue la tabla.

P (atm)Pr (atm)T (K)Tr (K)1/Tr (K-1)Log(Pr)

2039,0218,323300,8141,231,26

2248,2620,203400,8391,191,31

2351,7721,133450,8511,181,32

2556,7822,973550,8761,141,36

2658,2923,883600,8881,131,38

2859,3025,693700,9131,101,41

Y la tabla que se pide para la otra sustancia (el amonaco) es:

PRACTICA 2.- EL GAS IDEAL.Con esta prctica se pretende estudiar la relacin entre la presin (P), el volumen (V) y la temperatura (T) de un gas y deducir si se puede considerar como un gas ideal. La prctica viene definida en el cuaderno de prcticas.

Definimos a la distancias entre el mercurio de los dos cilindros en el eje vertical como h y la distancia del mercurio que contena el tubo con una zona esfrica hasta la zona esfrica como l.

El volumen viene dado por la suma del volumen de la parte cilndrica y la esfrica (1.01 ml):.

La presin ejercida sobre el aire encerrado viene dado por , donde la presin atmosfrica () se midi por la estacin meteorolgica ().

En cuanto a la temperatura, se tomaron las medidas a temperatura ambiente (T1=21.2 C), y a 35 C, 40.2 C, 45 C y 50.2 C.

Bajo la hiptesis de gas ideal, y las condiciones de temperatura y presin ambiente en el tubo de medida, el volumen es de , y el nmero de moles , donde .

Luego fuimos tomando una serie de medidas a las temperaturas antes indicadas, calculamos la presin, consiguiendo las siguientes tablas, una donde varibamos h y en la otra cambibamos l.

TABLA 1

h (mm)P (kPa)l1 (mm)l2 (mm)l3 (mm)l4 (mm)l5 (mm)

-20075.7220245245245250

-15081.91219230235235240

-10088.37210220225223225

0101.9175200202202205

100115.23170180182183185

150121.899163170172175175

200128.56156163165165168

250135.225150152155160165

TABLA 2

l (mm)V (ml)h1 (mm)h2(mm)h3 (mm)h4 (mm)h5 (mm)

15016.31225245295315322

20021.41-120-30-60015

25026.51-390-245-230-225-220

Sobre los resultados que aparecen en la primera tabla, se contestan a estas preguntas.

1. Puede considerarse que el aire encerrado en el tubo de medida se comporta como un gas ideal? Si fuese un gas ideal, se cumplira para una cantidad de moles que no vara como este caso, que As pues, se puede contestar a esta pregunta de tres formas:

Con T=cte.=cte.. Si cogemos P y V de h=-100 y h=200 mm con temperatura ambiente, hallando V mediante la frmula antes facilitada, tenemos que:

Son aproximadamente iguales.

Con P=cte.cte.. Si consideramos la presin constante de 101.9 kPa, tenemos dos volmenes para dos temperaturas diferentes. Son aproximadamente iguales.

Con V=cte.cte.. Si consideramos el volumen constante de 1.83610-5 m3, hay dos presiones y temperaturas diferentes. Son aproximadamente iguales.

Como se puede ver, al variar diferentes magnitudes, se sigue cumpliendo la relacin en cualquiera de los tres casos; as pues, se puede considerar al aire interna de los tubos como un gas ideal.

2. Observa algn caso donde esta hiptesis sea correcta? En todos los casos, ya que siempre se cumple que .3. Cul sera la conclusin de este experimento?

Que se acepta al aire como un gas ideal, con la intencin de ahorrar clculos aunque se cometan pequeos errores que son despreciables, ya que no hay gases ideales en la realidad al haber fuerzas intermoleculares entre molculas.

PRACTICA 3.- EFECTO JOULE-THOMSONAl terminar el ensayo, conseguimos los datos recogidos en la tabla, teniendo en cuenta que 1 bar = 105 Pa = 100 kPa. P(bar)T(K)

0,250,26

0,350,32

0,450,41

0,550,51

0,650,54

0,750,62

0,850,72

A continuacin se presenta una grfica que nos dice cual es la variacin de la temperatura con respecto a la presin en bares, la pendiente media sera:P1=(0.35,0.32)m= 1,11

P2=(0.45,0.41)

PRACTICA 4.- ANLISIS TERMODINMICO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIN Y BOMBA DE CALOR. DETERMINACIN DE LOS COEFICIENTES DEL CICLO Y DEL COMPRESOR.Con el termmetro y los manmetros, medimos las temperaturas y presiones a la entrada y la salida de condensador y del evaporador de un aire acondicionado. Estas se muestran en la tabla:PUNTOT (C)T MEDIA (C)P (bar)P (bar)

Entrada Condensador43TC=34130

Salida Condensador2513

Entrada Evaporador-11TF=4.53.60.1

Salida Evaporador203.5

Entrada compresor20T=321311,5

Salida compresor441,5

Segn estos datos, sabemos con la ayuda de las grficas que el refrigerante empleado es el R22.

El coeficiente de operacin para el ciclo de compresin de Carnot por refrigeracin es , debemos de saber el calor cedido por el ciclo de calor () que fue calculado en la prctica anterior y la potencia del compresor () que ha sido tomada con un voltmetro-pinza para calcular el coeficiente de operacin real es .

Problema 1: Expansin de R-407c a travs de una vlvulaUn flujo de refrigerante R407c, que se encuentra a 60C y 750 kPa circula a travs de una tubera de 0,015 m2, a una velocidad de 15 m/s. El refrigerante atraviesa una vlvula de expansin de forma que, a la salida de la misma, tenemos una presin de 300 kPa. Determinar la temperatura del fluido en las condiciones de salida, el flujo msico y la velocidad a la salida de la vlvula si la seccin de salida tiene tambin 0,011 m2.{ENTRADA VLVULA}T1=60;P1=750;A1=0,015;C1=15;D1=DENSITY(R22;T=T1;P=P1);H1=ENTHALPY(R22;T=T1;P=P1);M1=D1 * C1 * A1;

{SALIDA VLVULA}P2=300;A2=0,015;H2=H1;T2=TEMPERATURE(R22;h=h2;P=P2);M2=M1;D2=DENSITY(R22;T=T2;P=P2);C2=M2/(D2 * A2);

A1=0,015 A2=0,015 C1=15 C2=38,47 D1=25,42 D2=9,911 H1=290,2 H2=290,2 M1=5,719 M2=5,719 P1=750 P2=300 T1=60 T2=52,44

Problema 2: Ciclo de refrigeracinDisponemos de una cmara frigorfica que opera en las siguientes condiciones, siguiendo un ciclo frigorfico:- Temperatura del aire ambiente exterior: 25C- Temperatura del aire en la cmara frigorfica:10C- Diferencia mnima de temperatura en el condensador: 8C- Diferencia mnima de temperatura en el evaporador: 5CEl fluido refrigerante empleado es el R407c. Las condiciones del fluido a la entrada del compresor son vapor saturado, y en la salida del condensador se encuentra en condiciones de lquido saturado. Determinar el COP y COPCarnot. Repetir el clculo considerando que existe un rendimiento isentrpico en el compresor de 0,80.{CICLO DE REFRIGERACIN}{PUNTO1 - VAPOR SATURADO-> X=1}T1=-15S1=ENTROPY(R22;T=T1;X=1)H1=ENTHALPY(R22;T=T1;X=1)

{PUNTO2S}P2S=P3S2S=S1H2S=ENTHALPY(R22;S=S2S;P=P2S)H2=H2S

{PUNTO3-LQUIDO SATURADO -> X=0}T3=33P3=PRESSURE(R22;T=T3;X=0)H3=ENTHALPY(R22;X=0;P=P3)

{PUNTO4- PROCESO DE 3 A 4 ISOENTLPICO}H4=H3

{RESULTADOS}QR=H1-H4WC=H2-H1COP=QR/WCTFC=273+25TFF=273-10COP_CARNOT=1/(TFC/TFF-1)COP=4,294 COP_CARNOT=7,514 H1=244,1 [kJ/kg] H2=281,2 H2S=281,2 [kJ/kg] H3=85,09 [kJ/kg] H4=85,09 P2S=1287 [kPa] P3=1287 [kPa] QR=159 S1=0,9505 [kJ/kg-K] S2S=0,9505 T1=-15 T3=33 TFC=298 TFF=263 WC=37,04

{CICLO DE REFRIGERACIN, teniendo en cuenta el rendimiento de la mquina}{PUNTO1 - VAPOR SATURADO-> X=1}T1=-15S1=ENTROPY(R22;T=T1;X=1)H1=ENTHALPY(R22;T=T1;X=1)

{PUNTO2S}P2S=P3S2S=S1H2S=ENTHALPY(R22;S=S2S;P=P2S)RENDIMIENTO_C=0,8H2=(H2S-H1)/RENDIMIENTO_C+H1

{PUNTO3-LQUIDO SATURADO -> X=0}T3=33P3=PRESSURE(R22;T=T3;X=0)H3=ENTHALPY(R22;X=0;P=P3)

{PUNTO4- PROCESO DE 3 A 4 ISOENTLPICO}H4=H3

{RESULTADOS}QR=H1-H4WC=H2-H1COP=QR/WCTFC=273+25TFF=273-10COP_CARNOT=1/(TFC/TFF-1)COP=3,435 COP_CARNOT=7,514 H1=244,1 [kJ/kg] H2=290,4 H2S=281,2 [kJ/kg]H3=85,09 [kJ/kg] H4=85,09 P2S=1287 [kPa] P3=1287 [kPa] QR=159 RENDIMIENTO_C=0,8 S1=0,9505 [kJ/kg-K] S2S=0,9505 T1=-15 T3=33 TFC=298 TFF=263 WC=46,29

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