Manual Trabajos Dirigidos Ingenieria Termica II Curso 13 14

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  • Manual de trabajos dirigidos

    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 1 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Universidad de Jan Departamento de Ingeniera Mecnica y Minera

    rea de Mquinas y Motores Trmicos

    GRADO EN INGENIERA MECNICA Asignatura: Ingeniera Trmica II

    MANUAL DE TRABAJOS DIRIGIDOS

  • Manual de trabajos dirigidos

    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 2 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    NDICE TRABAJOS DIRIGIDOS

    Trabajos dirigido 1: Prcticas de laboratorio3 Prctica 1: Anlisis de la combustin.4

    Prctica 2: Estudio de una central trmica de vapor5

    Prctica 3: Estudio de una instalacin de refrigeracin por

    eyeccin de vapor (vaco).9

    Prctica 4: Mezcla de gases sin reaccin, diagrama

    psicromtrico..15

    Prctica 5: Estudio de una torre de refrigeracin.21

    Trabajo dirigido 2: Modelado de sistemas trmicos con PC.30 Trabajo dirigido 3: Examen de modelado trmico con PC (Optativo)..32

    ANEXOS Anexo I. Manual de equipos de laboratorio33

    Anexo II. Manual de funciones para el modelado de sistemas trmicos con PC67

    Anexo III. Ejercicios de modelado de sistemas trmicos con PC..79

  • Manual de trabajos dirigidos

    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 3 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Universidad de Jan Departamento de Ingeniera Mecnica y Minera

    rea de Mquinas y Motores Trmicos

    GRADO EN INGENIERA MECNICA Asignatura: Ingeniera Trmica II

    Trabajos dirigido 1: Prcticas de laboratorio

  • Manual de trabajos dirigidos

    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 4 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    PRCTICA DE LABORATORIO 1 ENSAYO EXPERIMENTAL DE LA COMBUSTIN

    MEDIANTE ANALIZADOR DE GASES INTRODUCCIN. El objetivo de esta prctica es determinar de forma experimental las caractersticas de combustin en una caldera a travs de un equipo analizador de humos y un post-tratamiento de datos con PC. La caldera objeto de estudio es la perteneciente a la minicentral trmica que se encuentra en el laboratorio de mquinas y motores trmicos del edificio A3 de la Universidad de Jan. DESCRIPCIN DEL EQUIPO. Para alcanzar el objetivo propuesto se dispone de un equipo analizador de emisiones modelo testo 335 (ver Figura 1). PROCEDIMIENTO La toma de datos se har simultneamente a la toma de datos de la prctica 2 (estudio de una central trmica). Se pondr en funcionamiento la minicentral trmica del laboratorio de mquinas y motores trmicos y se analizarn los gases de la combustin de la caldera:

    a) Toma de datos: 1. Se conecta la sonda al conducto de evacuacin de humos de la caldera en

    funcionamiento. 2. El equipo aporta unos resultados medidos de:

    a. Temperatura de humos (C) y Temperatura ambiente (C). b. Volumen de gas oxgeno en los humos secos (%). c. Volumen de gas CO en los humos secos (ppm).

    3. El equipo aporta unos resultados que calcula internamente a partir de los datos anteriores: d. Coeficiente de exceso de aire. e. Volumen de CO2 en los humos secos (%) f. Rendimiento de la combustin (%). g. Prdidas por chimenea (%).

    b) Post-procesado con PC: se van a valorar diferentes aspectos relativos a la

    combustin, como son: Volumen y composicin de los humos. Coeficiente de exceso de aire. Factor de oxidacin. Rendimiento de la combustin. Tringulo de la combustin (diagrama de Ostwald) y situacin en el mismo del

    punto de funcionamiento medido/calculado. Par esto se va a hacer uso de ciertas funciones asociadas con el trabajo dirigido nmero 2 (Modelado con PC).

    c) Comparacin entre los resultados que aporta el equipo y los que aporta el post-procesado. Conclusiones.

    MEMORIA: el guin de la prctica debe contener todos los resultados experimentales y calculados obtenidos segn el procedimiento descrito, as como una comparativa entre los resultados obtenidos mediante el equipo analizador de gases y los obtenidos mediante la aplicacin PC. Finalmente se adjuntarn unas conclusiones.

    Figura 1. Analizador de gases de combustin del

    laboratorio.

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 5 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    PRCTICA DE LABORATORIO 2

    ESTUDIO DE UNA CENTRAL TRMICA DE VAPOR

    1.- OBJETIVOS

    La finalidad de esta prctica es conocer el funcionamiento de una central de vapor de laboratorio desde el punto de vista termodinmico. Se estudiar, de esta forma, el funcionamiento bsico de este tipo de sistemas, llevando adems al laboratorio los conocimientos tericos adquiridos. Se observar durante el funcionamiento los problemas que aparecen para un correcto ajuste de los parmetros necesarios que hacen que funcione de forma ptima.

    Para la correcta comprensin de las partes y funcionamiento de la minicentral de laboratorio, se hace necesario que el alumno vaya a la realizacin de esta prctica con el tema de teora correspondiente ledo, de forma que comprenda perfectamente la utilidad de cada componente, as como de la descripcin que en este manual se hace de la instalacin. Objetivos de aprendizaje Principales:

    - Operar con una instalacin similar a una central de vapor convencional. - Conocer los principios termodinmicos de funcionamiento de una central trmica. - Manejo de equipos de medida integrados en un sistema, tomando datos de funcionamiento

    en unas condiciones determinadas. - Deducir, a partir de los datos ledos, parmetros fsicos y termodinmicos en las diferentes

    transformaciones de la mquina, para aquellas condiciones. - Representacin de ciclos termodinmicos en diagramas adecuados. - Complementar algunos aspectos tericos sobre consumos y evaluacin de propiedades

    termodinmicas, necesarios para su aplicacin prctica. - Comprender la importancia del anlisis terico aprendido en teora, sobre la realidad del

    funcionamiento de plantas de potencia. - Entender la repercusin que tiene sobre el medio ambiente la utilizacin de combustibles

    fsiles. Secundarios: - Identificar equipos de medida y su funcin dentro de un sistema. Relacionar estos equipos

    con aplicaciones en otros sistemas (caldera, manmetros, termmetros, tuberas, intercambiadores).

    - Manejo de ecuaciones, unidades y tablas de propiedades termodinmicas. 2.- PROCEDIMIENTO DE TOMA DE DATOS

    La primera operacin a realizar en esta prctica es la toma de datos y anlisis de la instalacin indicada.

    Tras la visualizacin de los componentes de la central, se proceder a su puesta en marcha. Esto requiere bastante tiempo, por lo que se aprovechar para continuar explicando su funcionamiento. Una vez la mquina funcione a rgimen, el alumno debe reconocer, en los dispositivos que muestran presiones, temperaturas y caudales, a qu parte de la instalacin pertenecen.

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 6 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    A continuacin se llevar a cabo el estudio del ciclo termodinmico de la minicentral trmica que existe en el laboratorio de motores trmicos, as como de otros factores de funcionamiento. Para ello, se pondr en marcha la minicentral, y se llevar sta a unas condiciones determinadas, para tomar las caractersticas principales

    Se tomar el tiempo que tarda en pasar 10 L de agua de refrigeracin del condensador, por un contador de agua, determinando as el flujo de agua am , as como las temperaturas a la entrada (Te) y salida (Ts) de aquella en los tubos del condensador.

    Despus se har lo propio con el consumo de combustible. Se medir el tiempo en que tarda en consumirse un determinado volumen en el depsito de gasoil, obteniendo as el flujo msico de combustible consumido cm . Lo siguiente ser tomar las lecturas de manmetros y termmetros en los diferentes puntos del sistema, la potencia elctrica generada por la mquina elctrica acoplada a la turbina (a travs de la tensin e intensidad de corriente en las resistencias elctricas), y la velocidad angular de la turbomquina (n en r.p.m.). 3.- CLCULOS a) Una tomados los datos reales de funcionamiento, obtenga las propiedades termodinmicas del agua en los diferentes puntos del sistema, y rellene la siguiente tabla. Recuerde que para calcular los puntos 2 y 3 habr que utilizar las tablas o diagramas termodinmicos para el agua saturado y/o recalentado. El punto a no pertenece al ciclo, y se refiere a las condiciones del agua en condiciones similares a las del ambiente de referencia. Su clculo es para el lquido, similar al que se explica para los puntos 0 y 4.

    Punto

    Presin

    (bar)

    Temperatura

    (K)

    Entalpa (kJ/kg)

    Entropa (kJ/kg.K)

    Exerga (kJ/kg)

    a 0 1 2 3 4

    Teniendo en cuenta la temperatura, entalpa y entropa de referencia a 0 C, tr , hr , sr ,

    y el valor del calor especfico para el agua lquida c, considerndolo constante para cualquier presin y temperatura, se pueden obtener las propiedades de los puntos 0 y 4:

    tr = 0 C; hr = 0 kJ/kg; sr = 0 kJ/kg K; c = 4,18 kJ/kg K (calor especfico para el agua lquida) h0 = h r + c( T0 -Tr ); s0 = s r + cln( T0 /Tr );

    h4 = h r + c( T4 -Tr ); s4 = s r + cln( T4 /Tr ); ha = h r + c( Ta -Tr ); sa = s r + cln( Ta /Tr );

    Figura 1.- Ciclo real aproximado de la central de laboratorio

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 7 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Para el caso del punto 1, se utilizar la ecuacin del primer principio en sistemas abiertos, considerando el volumen especfico del agua constante en el punto 0, y con un valor igual a v0 = 10-3 m3/kg, estimando el rendimiento isoentrpico de la bomba del 100%. Posteriormente, se despeja la temperatura de dicho punto:

    h1 = h0+ v0 (P1 -P0 ) = h r + c( T1 -Tr )

    En todos los casos j, la energa disponible o exerga hd se calcular como:

    hd, j = (hj -ha) - Ta (sj sa ) b) Tome los datos de consumo de combustible y flujo de agua de refrigeracin de torre por unidad de tiempo, adems de las temperaturas de entrada y salida del agua de refrigeracin del condensador y la potencia consumida en las resistencias elctricas de la instalacin. Calcule (las ecuaciones siguientes muestran valores absolutos, siempre positivos, y hay que discriminar que flujos de energa salen y entran del sistema):

    b.1) Flujo msico de vapor, vm , realizando un balance en el condensador. El vapor de agua circular entre la carcasa y los tubos, y el agua de refrigeracin por el interior de estos ltimos:

    )()( 43 esrefv TTcmhhm = donde refm es el flujo msico de agua de refrigeracin de la torre, y las temperaturas de entrada y salida de este flujo al condensador son, respectivamente, Te y Ts, todos estos datos tomados de la instalacin en funcionamiento. b.2) Calor aportado por el combustible por unidad de tiempo cQ , y rendimiento de la caldera, conociendo el PCI (poder calorfico inferior del combustible en kJ/kg):

    c

    vccc Q

    hhmPCImQ

    )(

    ; 12

    ==

    donde cm es el flujo msico de combustible, tomado de la instalacin en funcionamiento, y el Poder Calorfico Inferior del Gasoil, que vale PCI = 43200 kJ/kg; Por problemas de diseo y funcionamiento en el equipo, puede resultar que el rendimiento salga superior a 1. En ese caso, deben recalcularse los datos. Para ello, se fijar un rendimiento conocido de 0,8. A partir de aqu, se recalcula el sistema al revs, determinando el flujo de combustible y calor aportado por unidad de tiempo de ste en la caladera, para que dicho rendimiento sea el indicado (0,8). b.3) Trabajo mecnico que entra a la bomba por unidad de tiempo ( bW ), si realmente fuera el proceso como el descrito en las figuras, adems de isentrpico.

    )()( 01 hhmentraW vb =

    b.4) Calor aportado al ciclo por unidad de tiempo:

    )()( 12 hhmentraQ vap =

    b.5) Trabajo mecnico en la turbina por unidad de tiempo ( tW ). )()( 32 hhmsaleW vt =

    b.6) Calor cedido en el condensador por unidad de tiempo (Qc).

    )()( 43 hhmsaleQ vcond =

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 8 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    b.7) Rendimiento isoentrpico de la turbina de vapor, sabiendo que la entalpa del punto 3 ideal (h3) se obtiene a partir de las tablas de vapor saturado, para una entropa igual a la del punto 2:

    )'()(

    32

    32

    hhhh

    tv

    =

    b.8) Rendimiento energtico del ciclo termodinmico de la central (t).

    )()()(

    12

    0132

    hhhhhh

    QWW

    ap

    btt

    =

    =

    b.9) Rendimiento electromecnico del conjunto eje turbina-generador elctrico (em).

    )( 32 hhmIV

    WW

    vt

    eem

    ==

    b.10) Rendimiento global de la instalacin (g), despreciando el consumo de energa en la bomba de alimentacin a la caldera:

    ctemc

    ap

    ap

    t

    t

    em

    c

    eg Q

    QQW

    WW

    QW

    ==

    b.11) Si el combustible posee un 86% en peso de carbono, y cada kilogramo de este elemento produce 3,667 kg de CO2, evale el flujo emitido de CO2 a la atmsfera (kg/h) en las condiciones del ensayo, considerando una combustin completa

    b.12) Energa disponible por unidad de tiempo captada por el agua al pasar por la caldera (compare su valor con el del ap. b.4):

    )()( 1,2,, ddvapd hhmentraH =

    b.13) Exerga eliminada del agua al pasar por el condensador por unidad de tiempo. (compare su valor con el del ap. b.6):

    )()( 4,3,, ddvcondd hhmsaleH =

    b.14) Prdida de energa disponible al pasar el vapor por la turbina:

    )()/( 32 ssTmskJW avp = b.15) Rendimiento exergtico del ciclo termodinmico, definido como:

    )(

    )()(

    1,2,

    0132

    ddap

    btt hh

    hhhhHWW

    =

    =

    4.- EVALUACIN

    En la evaluacin de esta prctica, el alumno debe explicar detenidamente el proceso de clculo desarrollado sobre los puntos que se le solicita y que presenta en la memoria que ha elaborado.

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 9 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    PRCTICA DE LABORATORIO 3 ESTUDIO DE UNA INSTALACIN DE

    REFRIGERACIN POR EYECCIN DE VAPOR (vaco)

    1.- OBJETIVO

    Con esta prctica se persigue que el alumno conozca el funcionamiento, desde el punto de vista termodinmico, de una instalacin frigorfica. Para ello debe aplicar los conocimientos que posee para el anlisis trmico de un sistema, en este caso, una mquina de refrigeracin. Dicha mquina tiene un funcionamiento ms complejo que las convencionales, por lo que las medidas y clculos correspondientes poseen mayor dificultad. Objetivos de aprendizaje Principales:

    - Operar con una mquina frigorfica. - Conocer los principios termodinmicos de funcionamiento de una mquina frigorfica. - Conocer las caractersticas principales de las mquinas frigorficas y como varan stas en

    funcin de la temperaturas de los focos y calores asociados. - Manejo de equipos de medida integrados en un sistema, tomando datos de funcionamiento

    en unas condiciones determinadas. - Deducir, a partir de los datos ledos, parmetros fsicos y termodinmicos en los diferentes

    componentes donde se producen las transformaciones, de la mquina frigorfica para aquellas condiciones.

    - Representacin de ciclos termodinmicos en diagramas adecuados. - Comprender la importancia del anlisis terico aprendido en teora, sobre la realidad del

    funcionamiento de mquinas frigorficas. - Entender la repercusin que tiene sobre el medio ambiente la utilizacin de sistemas que

    utilizan energas gratuitas o residuales para operar. Secundarios: - Identificar equipos de medida y su funcin dentro de un sistema. Relacionar estos equipos

    con aplicaciones en otros sistemas. - Manejo de ecuaciones, unidades y tablas de propiedades termodinmicas 2.-INTRODUCCIN

    El ciclo de eyeccin de vapor se puede diferenciar en tres partes: termocompresin, ciclo de Rankine y refrigeracin de vapor por compresin del mismo. El grupo generador de vapor- condensador realiza un Ciclo de Rankine, pero este no es convencional, pues se lleva a cabo a travs del eyector del aparato de la siguiente manera:

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 10 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    El generador de vapor transforma en vapor saturado el lquido refrigerante que contiene (flujo mn), llevndolo a las condiciones del punto 2 (fig. 1). En condiciones ideales (lnea roja) este punto es saturado. En realidad (linea azul), ste est ligeramente sobrecalentado, sufriendo una ligera prdida de presin y temperatura al pasar por el conducto que lo lleva al eyector (punto 2). Posteriormente ste se expande (transformacin 2-J) a travs de una tobera. Esto quiere decir que no se produce trabajo, sino aceleracin de dicho flujo. La expansin provoca que a la salida del mismo exista una presin inferior, que causa que a la cmara de mezcla entre un flujo me proveniente del evaporador. Finalmente la mezcla se decelera aumentando su presin en el difusor. El proceso de expansin en tobera es el 2-J, el de mezcla es el de J-M-b, y el de compresin en difusor ser el M-c. La salida del mismo est dentro del condensador, y la entrada procede el generador de vapor, por lo que las presiones correspondientes a la entrada y salida del mismo se conocen.

    En el condensador (fig. 2), el calor que posee el gas se cede a un flujo de agua que

    circula por un serpentn incluido en el mismo condensador, volviendo a transformarse en lquido saturado el refrigerante (transformacin 3-4). El punto 4 corresponder a lquido saturado o subenfriado. En caso de que sea saturado, se buscarn las condiciones a la presin de saturacin del condensador (Pcond). En caso de ser subenfriado, se puede observar en la fig. 2 como la entalpa de dicho punto se puede aproximar como la de lquido saturado a la temperatura t4.

    Figura 2.- Circuito con ciclo de Rankine (ciclo ideal en rojo, ciclo real en azul)

    A la salida del condensador, la parte del lquido correspondiente (flujo mn) vuelve al

    generador de vapor, gracias a la accin de una bomba, (transformacin 4-1). El ciclo de este circuito se cierra mediante la evaporacin de esta fraccin de refrigerante en aquel sistema (transformacin 1-2). El resto del flujo (me) entra al evaporador gracias a la accin de una vlvula de expansin en la parte superior de dicho equipo.

    Respecto al evaporador (fig. 3), ste extrae calor de un medio ambiente a travs del

    lquido en su interior a baja presin que se evapora rpidamente absorbiendo ese calor (transformacin a-b).

    Figura 1.- Termocompresin. Las lneas azules indican el ciclo real, mientras que las rojas expresan el

    ideal

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 11 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Figura 3.- Circuito con refrigeracin por compresin de vapor (ciclo ideal: rojo, ciclo real: azul)

    Posteriormente, el fluido en forma de vapor es comprimido para elevarlo de presin y llevarlo hacia el condensador (termocompresin). Normalmente esta compresin se realiza mecnicamente, con un equipo compresor. Sin embargo, en la refrigeracin por eyeccin, la compresin se realiza gracias al eyector, cuyo funcionamiento ya se conoce (transformacin b-M-c) y que da como resultado la salida del mismo de una cantidad superior de flujo de refrigerante.

    Ya en el condensador, se cede la energa robada al medio en el que se encuentra el

    evaporador, adems de la que se incluye por la compresin. (transformacin c-d 3-4). Finalmente, a travs de una vlvula de expansin isoentlpica, el refrigerante vuelve al evaporador cerrando el ciclo (transformacin d-a). 3.- COMPORTAMIENTO DEL REFRIGERANTE EN EL EVAPORADOR

    El evaporador debe extraer energa de un medio; en este caso se le ha inmerso una resistencia elctrica para que extraiga la energa de sta (V: tensin en Voltios, I: intensidad, en Amperios). La energa recibida por el refrigerante en el evaporador ser:

    [ ] )()(8,110)( 3 kWttIVhhmQ evambabeev +==

    Por las caractersticas del aparato, el fabricante aporta el segundo trmino de la ecuacin anterior, que implica la ganancia de calor a travs de la pared de cristal del evaporador. 4.- COMPORTAMIENTO DEL REFRIGERANTE EN EL CONDENSADOR

    Como se ha dicho anteriormente, en el condensador, el fluido refrigerante se transforma en lquido puesto que cede la energa que contiene al agua de un serpentn contenido en aqul.

    El equipo incorpora un fluxmetro de agua, que permite conocer la cantidad de agua

    que circula por el serpentn. Tambin se muestran los valores de la temperatura de entrada y salida del agua por ste. Se sabe que la capacidad calorfica del agua, ca, es de 1kcal/kg K (4,18 kJ/kg K), con lo que podemos conocer cul es el calor intercambiado con ella. Existe un intercambio con el medio ambiente igual a 1,8 10-3 kW por cada grado de diferencia de temperaturas entre la de saturacin en el condensador y el ambiente. De todo esto, se deduce que la energa total cedida por el condensador por unidad de tiempo es:

    )(10)(8,1)()( 343 kWttttcmhhmQ ambcondesaatcond

    +==

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 12 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    5.- TERMOCOMPRESIN DEL REFRIGERANTE

    La relacin de flujos que circulan por el evaporador y generador de vapor se puede obtener a partir del balance energtico en el eyector. Los balances de masa u energa resultan ser:

    ten

    tpben

    mmmhmQhmhm

    =+

    +=+ 32

    donde pQ se refiere a las prdidas de calor por el eyector. Se debera analizar esta termocompresin de forma individual y profunda, pero debido a la falta de tiempo no se analizar. De ese estudio se poda conocer el rendimiento de la tobera y el difusor pertenecientes a este eyector. 6.- BOMBA DE ALIMENTACIN

    La bomba de alimentacin recoge el lquido que va hacia el generador de vapor, impulsndolo a una presin igual a la del generador de vapor. Conociendo la temperatura y presin del refrigerante a la entrada al generador de vapor (punto 1), se podr saber su entalpa, h1. El procedimiento es el mismo que el ya explicado para el punto 4. Tambin se podr conocer la entalpa para las condiciones ideales de bombeo isoentrpico, h1. As, se puede conocer, tanto el trabajo ideal como el real:

    wb,ideal =!4 (P1 !P4 ) = h1 '! h4 (kJ / kg) " "b =h1 '! h4h1 ! h4

    wb =!4 (P1 !P4 )

    "b= h1 ! h4 (kJ / kg) " !Wb = !mn wb (kW )

    7.- LQUIDO REFRIGERANTE EN EL GENERADOR DE VAPOR

    El generador de vapor calienta agua, la cual rodea al depsito de refrigerante y lo calienta tambin transformndolo desde las condiciones 1, a vapor saturado en las condiciones 2. La resistencia elctrica entrega una potencia Ne de 1500 W, aunque el equipo posee un termostato que desconecta a aquella en caso de exceso de temperatura del agua. Esta potencia no se tiene en cuenta, pues su funcionamiento es discontinuo. Sin embargo, sera la mxima posible que podra recibir el aparato. Considerando que este generador est bien calorifugado, el calor entregado por la resistencia ser igual al que recibe el refrigerante. As, la potencia entregada al vapor en el instante del ensayo ser:

    )()( 12 kWhhmQ nGV =

    Tanto las presiones como las temperaturas de los puntos 1 y 2 las detectan los

    sensores del equipo. Adems, ste ofrece la posibilidad de conocer las condiciones a la entrada del eyector, que son muy similares al punto 2, estimndose iguales a las de este punto.

  • Manual de trabajos dirigidos

    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 13 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    8.-OPERACIN CONJUNTA. CLCULOS Y RESULTADOS

    Llegados a este punto, basta realizar una prctica completa teniendo en cuenta todos los factores integrantes del sistema. El ciclo descrito se presenta en la fig. 4.

    Figura 4.- Ciclo de refrigeracin por eyeccin de vapor (ciclo real en azul, ciclo ideal en rojo)

    8.1.- Propiedades termodinmicas Fijndonos en el funcionamiento del equipo, tomamos los valores de todas las presiones y temperaturas que dan los sensores. A partir de estos valores, se determinan las entalpas y entropas de todos los puntos del ciclo:

    Punto

    Presin (MPa)

    Temp.

    (K)

    Entalpa (kJ/kg)

    Entropa (kJ/kg.K)

    Exerga (kJ/kg)

    Ambiente

    1

    1

    (ideal)

    2

    (salida GV)

    2

    (entrada eyector)

    3-c

    4-d

    a

    b

    PGV (*)

    Pcond (*)

    Pev (*)

    (*) Condiciones de saturacin

  • Manual de trabajos dirigidos

    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 14 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    8.2.- Clculos sobre datos reales 1. Flujo msico de refrigerante que circula por el condensador, tm . 2. Flujo msico de refrigerante que circula a travs del evaporador em . 3. Flujo msico de refrigerante que circula por el generador de vapor nm . 4. Relacin de flujos ne mm / 5. Calor total cedido por el condensador por unidad de tiempo, condQ 6. Potencia calorfica suministrada por la resistencia elctrica al evaporador eW . 7. Potencia calorfica total recibida por el refrigerante en el evaporador evQ 8. Potencia calorfica entregada al refrigerante en el generador de vapor GVQ . 9. Potencia consumida por la bomba de refrigerante bW . 10. Trabajo especfico real e ideal y rendimiento isoentrpico, de la bomba. 11. Prdidas de calor en el eyector, pQ . 12. Eficiencia del conjunto funcionando como mquina frigorfica:

    GVb

    evf QW

    Q

    +=

    13. Eficiencia del conjunto funcionando como bomba de calor.

    GVb

    condbc QW

    Q

    +=

    8.3.- Otras valoraciones 14. Evale la relacin de flujos y eficiencias tericos, considerando un funcionamiento ideal de

    la mquina, tal y como se estudia en teora, a partir de las tres presiones ledas (en evaporador, condensador y generador de vapor), para el refrigerante R141-b. Hay que tener en cuenta que las propiedades del refrigerante a la entrada y salida del condensador, y a la salida del evaporador y generador de vapor, corresponden a lquido y/o vapor saturados.

    15. Piense en la posibilidad de aprovechar calores residuales o energa solar para suministrar el calor necesario en el generador de vapor.

    9.- EVALUACIN

    En la evaluacin de esta prctica, el alumno debe explicar detenidamente el proceso de clculo desarrollado sobre los puntos que se le solicita y que presenta en la memoria que ha elaborado.

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 15 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    PRCTICA N 4 MEZCLA DE GASES SIN REACCIN.

    DIAGRAMA PSICROMTRICO 1.- OBJETIVO

    El objetivo de la presente prctica es conocer el diagrama psicromtrico de la mezcla aire-vapor de agua. Corresponde a un ejercicio en el que el alumno debe realizar un baco psicromtrico, a partir de los datos de las tablas de propiedades termodinmicas para el agua y aire, y que estn incluidos en los apuntes de la asignatura.

    Realizando esta prctica, el alumno aprender a manejar dicho diagrama, evaluando las variaciones de propiedades de la mezcla en funcin del tipo de transformacin: temperatura de bulbo seco, temperatura de bulbo hmedo, punto de roco, humedad relativa del aire, humedad absoluta del aire, volumen especfico (o densidad) y entalpa especfica. De esta forma, estar familiarizado con la posicin de las propiedades termodinmicas de la mezcla de gases sin reaccin ms conocida: aire-vapor de agua. As, estar en condiciones de aplicar estos conocimientos en el futuro diseo de instalaciones donde se requiera su uso, como las de climatizacin y torres de refrigeracin, entre otras. Objetivos principales - Adquirir destreza en la bsqueda de datos en tablas de propiedades termodinmicas de aire y

    vapores, as como el uso de ecuaciones asociadas a ellas, dando lugar a las propiedades solicitadas. - Manejar ecuaciones de balances de energa y materia - Representar convenientemente aquellas propiedades. - Aprender a manejar el diagrama. - Identificar como se representan diferentes transformaciones Objetivos secundarios - Adquirir destreza en el manejo de programas informticos (Hoja de clculo) 2.- DESCRIPCIN GENERAL DE LA PRCTICA

    La prctica consiste en tres partes bien diferenciadas: en la primera, se buscarn en tablas (tanto para aire como para vapor de agua) o se utilizarn ecuaciones al respecto, para determinar las caractersticas de cada sustancia en la mezcla y el resultado de su combinacin. En segundo lugar, se representar grficamente el diagrama psicromtrico (diagrama de Carrier), a partir de los datos elaborados. Finalmente, y sobre estas grficas, se representarn diversas transformaciones. 3.- FUNDAMENTO TERICO El diagrama psicromtrico es la representacin grfica de los parmetros asociados a la mezcla aire seco-vapor de agua, en diferentes condiciones. Se recurre a l con el fin de facilitar los clculos de los cambios en los procesos para la mezcla. Estos parmetros asociados son siete, correspondiendo a (las condiciones para el vapor de agua de la mezcla se incluyen en la fig. 1):

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 16 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Figura 1.- Propiedades del vapor de agua en la mezcla de aire hmedo

    Temperatura de bulbo seco (T TS): es la temperatura de la mezcla medida con un termmetro convencional. Si la temperatura se indica en grados Celsius, se simbolizar por t. Si por el contrario, se indica en Kelvin, se utilizar T. Las propiedades del vapor de agua en la mezcla se representan en la fig. 1 como el punto 1. Temperatura de roco (TR): es la temperatura a la cual se satura el vapor de agua, manteniendo constante su presin parcial (pv) en la mezcla (punto 3 en la fig. 1 para el vapor). Humedad absoluta, relacin de humedad o humedad especfica (x): es la masa de vapor de agua (kg) contenida en 1 kg de aire seco. Si la masa (mi), volumen (V), densidad (i, que es la inversa del volumen especfico, vi), presin parcial (pi) y peso molecular (Mi) de cada componente (si el subndice i se refiere al aire seco, ser a, y si es al vapor, v) es conocida, as como la presin (P) que ser la atmosfrica (se aproxima aqu a 1,013 bar) y temperatura (T) de la mezcla, se puede llegar a la siguiente relacin, considerando ambos componentes como gases perfectos:

    x = mvma=V / vvV / va

    =!v!a

    =ROT / (paMa )ROT / (pvMv )

    =MvMa

    pvP ! pv

    "

    #$

    %

    &' ( 0,622 pvP ! pv

    "

    #$

    %

    &' (1)

    Humedad relativa (): es la relacin entre la presin parcial del vapor de agua contenida en la mezcla (pv), y la presin de ese vapor cuando se satura a la temperatura de bulbo seco (pvs). En los clculos se aplica como fraccin (tanto por uno), y en las representaciones se utiliza el porcentaje (tanto por ciento, %). Esta ltima caracterstica se representa por el punto 2 en la fig. 1. Utilizando la expresin (1), se podr obtener la relacin entre esta humedad y la absoluta.

    ! =pvpvs

    =P x

    pvs (0, 622+ x) x = 0,622 ! pvsP !! pvs

    (2)

    La presin de vapor de saturacin correspondiente a una temperatura seca determinada, se puede determinar al observar el diagrama (o tablas) de vapor saturado en el agua, o bien mediante la aproximacin siguiente:

    pvs (bar) ! e14,2928"5291T (3)

    Entalpa especfica de la mezcla (hm): es la suma ponderada de las entalpas de ambos componentes:

    hm = ha + x hv (4) Se puede evaluar de dos formas. En la primera de ellas, se buscan los datos de entalpa en funcin de las condiciones existentes en las tablas y diagramas correspondientes, tanto para el aire seco como para el vapor de agua, por separado. En la segunda, se realiza una aproximacin mediante una ecuacin. Puesto que la presin parcial del vapor de agua es muy pequea en la mezcla, la entalpa del vapor (hv) se puede evaluar considerando la entalpa en estado saturado (hvs). Adems, puesto que el intervalo de

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    temperaturas de inters es pequeo (entre -10 C y 40 C), el calor especfico del vapor ( a presin constante) se considera constante. En cuanto al aire, se puede aproximar tambin en funcin de la temperatura. As, las aproximaciones llegan a la expresin siguiente:

    hm (kJ / kg) ! cp,a t + x hvs !1,005 t + x (2501, 7+1,82 t) (4.bis)

    Volumen especfico de la mezcla (vm): es la inversa de su densidad, y se determina como la relacin entre el volumen total de mezcla y la masa de aire seco. El volumen ocupado por la mezcla (V), es el mismo que ocupa el aire seco (Va), e idntico al ocupado por el vapor (Vv). As quedar:

    vm =Vma

    =Vama

    = va =RaTpa

    =RaTP ! pv

    con pv =x

    0,622+ x P pv = ! pvs (5)

    Temperatura de bulbo hmedo (TH). Esta propiedad es necesario analizarla detenidamente. En primer lugar se define la temperatura de saturacin adiabtica como la temperatura que alcanza la mezcla aire-vapor cuando sta se satura tras su paso sobre un canal en contacto con agua lquida, de forma que en la transformacin no se pierde ni se gana calor. En ese caso, la mezcla aire-vapor desciende su temperatura como consecuencia de una transferencia de calor hacia la superficie de la masa de agua lquida. Ese calor sirve para evaporar una cierta cantidad de agua, pasando sta a formar parte de la mezcla. En definitiva, el calor trasvasado al agua lquida es recuperado en forma de calor latente (ms agua evaporada). Al aumentar la cantidad de agua evaporada, y mantenerse la presin P, la mezcla tendr ms vapor que antes, con lo que su presin parcial aumenta, as como su humedad relativa. En la fig. 1, se presenta la transformacin desde el punto 1 al 4, siendo este ltimo el estado final para el vapor de agua en la mezcla a la salida del canal. El balance energtico resulta ser, entre la entrada (1) y la salida (2) del canal, la siguiente (considerando la entalpa del agua lquida saturada hf2 a la temperatura del agua tf):

    ha1 + x1hv1 + (x2 ! x1)hf 2 = ha2 + x2hv2 ;" haj + x jhvj # cte ;!2 =1; hf 2 (kJ / kg) # 4,18 t f ; T2 = TH , fig.1 ; T1 = T1, fig.1 ;

    x1 =cp,aire (T2 !T1)+ x2 (hv2 ! hf 2 )

    hv1 ! hf 2; con x2 =

    pvs,2P ! pvs,2

    ;

    x1 #cp,aire (T2 !T1)+ x2 hv2

    hv1; (ya que hf 2

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    Figura 2.- baco psicromtrico de Carrier

    Existen otras representaciones (diagrama de Mollier y diagrama de ASHRAE) que en este curso no se van a analizar, pero de los que se da una visin general. El diagrama de Mollier (R. Mollier, 1932), es de tipo oblicungulo, utilizando como coordenadas la entalpa de la mezcla y humedad absoluta. El ngulo formado por los ejes de coordenadas se escoge de forma que la isoterma a 0 C sea horizontal, siendo las isotermas superiores rectas ascendentes (pendiente positiva), y las isotermas inferiores rectas descendentes (pendiente negativa). Por otra parte, el ASHRAE es muy parecido al Carrier, pero donde los datos son ms exactos, y su bsqueda da lugar a resultados ajustados. En este sentido, el diagrama Carrier presenta las lneas de entalpa constante a partir de la ec. 4.bis, en vez de los datos reales que hay que buscar en tablas, segn la ec. 4. As, se comete un ligero error, que el diagrama ASHRAE salva. 4.- BSQUEDA DE DATOS Y CLCULOS El eje de abcisas (eje x) partir del valor inicial (0C a la izquierda del eje) hasta el final (50C a la derecha) de la temperatura seca. El eje de ordenadas (eje y) corresponde a la humedad absoluta. En su representacin, el valor mnimo ser de 0 kg vapor /kg aire seco y el mximo ser de 0,03 kg vapor /kg aire seco. Estos datos se deben ajustar en la representacin grfica en papel milimetrado formato A3. A continuacin se buscan (o calculan) los datos siguientes: 4.1.- Lneas de temperatura seca constante: se tomarn 5 valores entre 0 y 50C: correspondiendo a tS = 0, 15, 30, 40 y 50C. Se trazarn lneas verticales. 4.2.- Curvas de humedad relativa constante: para cada una de esas temperaturas, habr que considerar una humedad relativa : 20% (para todas las temperaturas anteriores), 40% (todas excepto 50C), 60% (todas excepto para 50C), 80% (todas excepto 40C y 50C) y 100% (todas excepto 40C y 50C). A partir de las ecs. (1) a (3) habr que determinar el valor de la humedad especfica correspondiente (Cuidado, la humedad relativa hay que incluirla en las ecuaciones como tanto por uno!). Los puntos que corresponden a la propiedad de humedad absoluta mxima a representar (x=0,03) habr que estimarlos haciendo el proceso inverso: conocidas la humedad relativa (p.e. 40%) y la humedad absoluta (x=0,03), determinar la temperatura seca para esas condiciones, utilizando para ello las mismas ecuaciones. As, para cada punto con tS y conocidas, tambin se sabr su x. Esto da lugar a su representacin en el diagrama. Una vez hecho esto, se unen los puntos con igual humedad relativa. 4.3.- Resto de curvas con propiedad constante (entalpa y volumen especfico): se tomarn los datos conocidos SOLAMENTE de las curvas de humedad relativa del 40% y 60% (hasta ahora se conoce su temperatura seca, humedad relativa y humedad absoluta). Slo a partir de los primeros cuatro puntos estudiados en cada caso (cada uno para una temperatura seca del ap. 4.1, obviando el dato para una tS = 50C) se realizarn el resto de curvas a incluir:

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    4.3.1.- Para representar cada lnea de propiedad constante, habr que determinar en primer lugar las condiciones de entalpa y volumen especficos en los puntos analizados, a partir de las ecs. (4) y (5). 4.3.2.- Puesto que para realizar cada lnea se necesita otro punto adicional a los indicados en el apartado anterior, lo ms sencillo es la bsqueda de stos en el eje de ordenadas (humedad especfica) o de abcisas (temperatura seca) con igual valor de entalpa volumen especfico que posea cada punto original del ap. 4.3.1.

    Con vistas a una optimizacin en la bsqueda, se comenzar con evaluar la entalpa. Para las temperaturas de 0C y 15C, el segundo punto con igual entalpa se obtendr al considerar una humedad absoluta de 0 kg vapor / kg de aire seco (la lnea correspondiente cortar al eje de abcisas). Para las temperaturas de 30C y 40C, este segundo punto se obtendr al fijar una temperatura seca de 50C (en este caso, esta lnea corta al eje de ordenadas), buscando entonces cul ser su humedad especfica.

    En el caso del volumen especfico, se har lo propio considerando una humedad absoluta de 0 kg vapor / kg aire seco, buscando entonces qu temperatura seca le corresponde, ya que estas lneas cortarn al eje de abcisas en casi todos los casos. Solo en un caso habr que considerar el otro eje: 60% de humedad relativa, con temperatura de 50C.

    5.- CONFORMACIN DE GRFICAS

    En total, es necesaria la inclusin (y clculo) de 41 puntos (25 correspondientes a las 5 humedades relativas indicadas junto con las 5 temperaturas asociadas, ms 8 correspondientes a las lneas de entalpa especfica constante, ms otros 8 correspondientes a las lneas de volumen especfico constante). Las coordenadas habr que indicarlas convenientemente. No solo existe el eje horizontal (temperatura seca) y vertical (humedad especfica), sino otra escala para la entalpa especfica (escala con inclinacin) y otra adicional para el volumen especfico (que discurre paralela a los dos ejes principales). As, la representacin final ser similar a la de la fig. 2, pero donde se deben ver las siguientes lneas:

    Temperatura seca, desde 0C hasta 50C. Escala horizontal lineal.

    Humedad absoluta, desde 0 hasta 0,03 kg vapor/kg aire seco. Debe haber una lnea horizontal por cada punto calculado, adems de las extremas (para 0 y 0,03 kg/kg). Esta lnea se escalar tambin linealmente (en vertical)

    Humedad relativa constante: 5 lneas. Cada una de ellas debe partir desde una vertical correspondiente a una temperatura seca de 0C, y finalizar, bien en el eje de ordenadas (donde la temperatura seca es de 50C) indicando el valor de la humedad absoluta, o bien en una lnea horizontal correspondiente a una humedad especfica de 0,03 kg/kg, donde se indicar qu temperatura seca le corresponde.

    Entalpa especfica constante: 8 lneas (obtenidas a partir de los cuatro primeros puntos originarios para = 40% y 60%). Se indicar una escala de valores, tal y como se indica en la fig. 2, a la izquierda de la curva de humedad relativa del 100%).

    Volumen especfico constante: 8 lneas (obtenidas a partir de los cuatro primeros puntos originarios para = 40% y 60%). La escala de valores debe cubrir tanto los ejes de abcisas como de ordenadas, de forma paralela a los que presentan temperaturas (tS) y humedades especficas (x).

    6.- TRANSFORMACIONES PSICROMTRICAS

    Una vez hechas las grficas, habr que incluir en cada una de ellas las siguientes transformaciones que tienen lugar en la mezcla (para todas ellas, hay que realizar los clculos correspondientes a los valores de propiedades de los diferentes estados, as como determinar grficamente para todos ellos, las temperaturas de roco y de bulbo hmedo.):

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 20 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    6.a) Deshidratacin con calentamiento (en este proceso hay dos estados intermedios adicionales entre los estados inicial y final). Partiendo de una temperatura seca de 25C y humedad relativa del 40%, el aire hmedo se enfriar al pasar por un serpentn, hasta las condiciones de saturacin. Posteriormente, y siempre en estado saturado, se seguir enfriando, hasta los 5C (en este proceso, se condensar agua). El proceso final consiste en calentar la mezcla resultante nuevamente, hasta la temperatura seca inicial (25C).

    6.b) Enfriamiento evaporativo. Una corriente de aire a 40C y 20% de humedad relativa se pasa por una seccin atomizadora de agua, desarrollndose un proceso similar al de saturacin adiabtica. Lo que se pretende es enfriar dicha corriente hasta una temperatura final de 24C.

    6.c) Calentamiento con humidificacin (en este proceso hay un estado intermedio). Se pretende calentar y humidificar aire que inicialmente est a 10C, con humedad relativa del 80%, hasta unas condiciones finales de 24C y humedad relativa del 60%. Para ello, se instala un serpentn que calienta el fluido, y posteriormente, un atomizador que aporta agua en condiciones tales que realiza sobre el aire un enfriamiento evaporativo de forma similar al descrito en el apartado anterior.

    6.d) Mezcla adiabtica de dos corrientes. Se mezclar una corriente de aire de 3kg/s (flujo de aire seco) a 10C y 80% de humedad relativa, con otra de 1kg/s de aire (flujo de aire seco) a 32C y humedad del 60%, sin ganancia o prdida de calor (proceso adiabtico). Determinar el estado final de la mezcla. En este caso, habr que considerar las expresiones siguientes:

    !ma1 + !ma2 = !ma3!ma1x1 + !ma2x2 = !ma3x3!ma1hm1 + !ma2hm2 = !ma3hm3

    Comprobar como se cumple la semejanza geomtrica, tanto grficamente en el diagrama (en los ejes de x y de hm), como numricamente:

    !ma1!ma2

    =x2 ! x3x3 ! x1

    =hm2 ! hm3hm3 ! hm1

    6.e) Torre de enfriamiento. Se desea enfriar una corriente de 1kg/s de agua lquida, desde una temperatura de 30C hasta otra de 20C. Para ello se disea una torre de refrigeracin, por la cual debe pasar una corriente de aire hmedo, en condiciones de t1 = 30C y humedad relativa de 60% (1 = 0,6). Esta corriente de aire sale a t2 = 28 C y 100% de humedad relativa (2 = 1). El agua a enfriar se atomiza en la parte superior, cayendo por gravedad hacia el fondo. Por la parte inferior de la torre entra aire, circulando en contracorriente a aquella agua atomizada, entrando en contacto ntimo. Parte de dicha agua se evapora, lo que supone cierta prdida de energa, dando lugar a un enfriamiento de la corriente. Determine la fraccin de agua evaporada, el flujo de aire que debe pasar por la torre, sin existir prdidas de calor por las paredes de la torre. Utilice los balances de masa y energa adjuntos:

    !magua,2 = !magua,1 ! !ma (x2 ! x1) ;!ma = !ma1 = !ma2 ;!ma1hm1 + !maqua,1hagua,1 = !ma2hm2 + !maqua,2hagua,2 ;hagua, j (kJ / kg) = 4,18 (tagua, j ! 0)

    7.- EVALUACIN La memoria de esta prctica contendr todos los datos buscados y calculados, tanto los indicados en el ap. 4 como en el 6, de forma tabulada. Adems debe incorporar el diagrama solicitado en papel milimetrado A3, construido segn el ap. 5, y donde se grafiquen las transformaciones del ap. 6.

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 21 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    PRCTICA DE LABORATORIO 5

    ESTUDIO DE UNA TORRE DE REFRIGERACIN

    1.- INTRODUCCIN Y OBJETIVOS

    Mediante la ejecucin de esta prctica, se pretende conseguir que el alumno asimile todos los procesos que se dan en una torre de enfriamiento as como la manipulacin de una torre de enfriamiento, disponible en nuestro laboratorio. La imagen 1 muestra el esquema de la torre de refrigeracin, que puede ayudar en el razonamiento del recorrido y transferencia de calor para cada uno de los fluidos que intervienen.

    Imagen 1. Esquema torre de refrigeracin del laboratorio Objetivos de aprendizaje especficos

    Principales - Conocer los fundamentos de las transformaciones termodinmicas de los fluidos que

    atraviesan una torre de refrigeracin. - Determinar la velocidad de evaporacin del agua de refrigeracin. - Realizar el balance de masa y energa de la torre de enfriamiento. - Utilizar el diagrama psicromtrico en un caso prctico real. - Asociar lo aprendido con equipos cotidianos conocidos por el alumno.

    Secundarios

    - Manejo de ecuaciones, unidades y tablas - Manejo de equipos de medida especficos - Relacionar lo observado con otras asignaturas de la titulacin.

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 22 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Material necesario para poder realizar la prctica Torre de enfriamiento del laboratorio de mquinas y motores trmicos, software SACED, y un diagrama psicromtrico (opcional).

    2.- ECUACIONES ASOCIADAS

    2.1 Determinacin de la velocidad de evaporacin. La velocidad de evaporacin del agua en la torre de refrigeracin se puede calcular utilizando la siguiente ecuacin: !"#$%&' !"#$ = !!"#$%&'$(!!!) (!"#$% !"!#!$% !"#$% !"#$%) (mm) (ec 1.1) Donde:

    SDepsito = Superficie de la base del depsito. Nivel inicial = nivel inicial que alcanza el agua dentro del depsito. Nivel final = nivel final que alcanza el agua dentro del depsito.

    La velocidad de evaporacin ser: !!"#$%'(! = !!"#$!"#$%& !!!! (ec 1.2) Donde: Tiempo = tiempo total de ensayo (por ej. 60 min)

    Imagen 2 Ubicacin de cada uno de los sensores de los que solo usaremos para la

    determinacin de las propiedades los sensores 2, 3, 4, 5, 6 y 7.

    Imagen 3 Interfaz del software y descripcin de la manipulacin del mismo

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 23 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    2.2 . Balance de materia. Uso de mapas psicromtricos

    La determinacin de la cantidad de vapor de agua por kilogramo de aire seco se consigue mediante las lecturas de los sensores de temperatura de entrada y salida, 3 y 4 para la entrada y 5 y 6 para la salida, adems de la utilizacin del diagrama psicromtrico. En este apartado se analizar el aire, del que conocemos su caudal, con lo que se puede obtener la cantidad de kilogramos de aire seco Adems si se multiplica esta cantidad de agua ganada por el tiempo de la simulacin, debe de darnos un valor idntico al obtenido en el aparatado 2.1. Como ayuda para comprender mejor el funcionamiento del equipo de laboratorio, se acompaa un esquema de una torre de refrigeracin (ver Imagen 4).

    Imagen 4. Esquema de una torre de refrigeracin.

    Valoraciones de los sensores Sensores 3 y 4 Los sensores 3 y 4 detectan la temperatura del aire a la entrada. El sensor 3 es un sensor de temperatura hmeda y el 4 de temperatura seca. Si la simulacin es correcta la temperatura del sensor 3 en cualquier momento debe ser inferior al de 4 (ver Grfica 1).

    Grfica 1. Ejemplo de evolucin de la temperatura del aire a la entrada de la torre de

    refrigeracin respecto al tiempo. En la Figura 5 se representa cmo obtener mediante el diagrama psicromtrico las propiedades termodinmicas del aire a la entrada de la torre de refrigeracin a partir de unos datos reales tomados en la instalacin. En el grfico: T4 se plasma en rojo, T3 en amarillo, la humedad absoluta en azul y la entalpa en violeta.

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 24 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Figura 5 Representacin sobre el diagrama psicromtrico de cmo obtener las propiedades termodinmicas del aire hmedo a la entrada de la torre de refrigeracin.

    Sensores 5 y 6 Estos sensores detectan la temperatura hmeda y seca del aire a la salida de la torre. En este caso la diferencia entre ambas lecturas tiene que ser prcticamente nula, ya que el aire sale de la torre casi en estado de saturacin (ver Grfica 2).

    Grfica 2. Variacin de la temperatura del aire a la salida de la torre con respecto al

    tiempo. De forma anloga a la Figura 5, la Figura 6 muestra la representacin en el diagrama psicromtrico del estado del aire a la salida de la torre, donde: T6 viene en color rojo, T5 en color amarillo, humedad absoluta en azul y entalpa en violeta.

    Figura 6. Representacin sobre el diagrama psicromtrico de cmo obtener las

    propiedades termodinmicas del aire hmedo a la salida de la torre de refrigeracin Balance de Masa Segn el principio de conservacin de la masa, la masa que entra es igual a la que sale. En ste caso se analiza por separado la masa de aire y la de agua: !"#" !"#$ !"# !"#$% = !"#" !"#$ !"# !"#$ 1 (ec. 1.3) !!"#$ !"#$%"#! !!"#$%&% +!!"#! !"#$%&'% = !!"#$ !"#$%&'% !!"#$%" +!!"#! !"#$ 2 (ec. 1.4)

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 25 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    O lo que es igual: !"#" !"#$ !!"#$%" !!"#$%&% = !"#" !" !"#$%&'&! = !"#$"%$&' !" !"#" (ec. 1.5)

    Las humedades absolutas sern aquellas que resulten de realizar la media aritmtica de todos los valores obtenidos en la simulacin. !!"#$%&% (!!) (!"#$%&'#(&!)) !!"#$%" (!!) (!"#$%&'#(&!)) Una vez determinados los valores de humedades absolutas, se mira en la torre el caudal de aire introducido. La densidad del aire la suponemos constante con la temperatura y de valor 1,293 kg/m3. !!"#$ = !"#$"% !"#$%!&! = !"#$% !" !"#$ (ec. 1.6) !"#" !" !"#$%&'&! = !!"#$ !!"#$%" !! !!"#$%&% !! (ec. 1.7) !"#" !" !"#$%&'&! !"#$%& !" !" !"#$%&'"! = !"#$%&' !" !"#! (ec. 1.8)

    El resultado obtenido tiene que ser aproximadamente igual que el obtenido de medir la variacin de agua en el depsito. Balance de energa El balance de energa consiste simplemente en ver la cantidad de energa absorbida por el aire y la cedida por el agua, ambas deben de ser iguales. En una torre de enfriamiento hay tres hiptesis bsicas que siempre se cumplen:

    (1) !"#" !"#$ !"# !"#$% = !"#" !"#$ !"# !"#$ (ec. 1.9)

    (2) !!"#$ !"#$% !!"#$%&%(!!) +!!"#! !"#$%&% = !!"#$ !"#$ !!"#$%"(!!) +!!"#! !"#$%" (ec. 1.10) Despejando de la ecuacin anterior podemos calcular la masa de agua de reposicin: !"#" !" !"#$%&'&! = !!"#$ !!"#$%" !!"#$%&% = !!"#! !"#$%&% !!"#! !"#$%" (ec. 1.11)

    (3) !!"#$ !"#$% !!"#$%&% +!!"!" !"#$% !"#! !"#$%&% (!!) = !!"#$ !"#$ !!"#$%" +!!"#! !"#$%" !"#! !"#$%" (!!)

    Con estas tres ecuaciones se puede establecer un sistema para despejar o bien Magua entrada o bien Magua salida. Por ltimo la entalpa del agua se obtiene por una interpolacin simple, utilizando como temperaturas los valores dados por los sensores 2 y 7, para la entrada y la salida de la torre de enfriamiento respectivamente.

    3.- OPERACIN Y TOMA DE DATOS

    Descripcin del experimento a realizar Actuaciones preliminares:

    1. Rellenar los termmetros de bulbo hmedo que estn secos con agua destilada. 2. Comprobar que el nivel de agua en el depsito principal est varios centmetros por

    encima de la boya de control (nivel del agua mayor a 21 cm). Si no es as, habr que rellenar el depsito hasta alcanzar el nivel comentado.

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 26 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Descripcin del ensayo

    1. Encender la unidad de adquisicin de datos. 2. Encender el ordenador y abrir el programa SACED. 3. Se recomienda quitar los dos tubos del sensor de presin ubicados en la torre de refrigeracin

    para evitar errores en la medida debido a condensacin de agua en los tubos. Esto ocurrir principalmente en los meses de invierno. Conectar los tubos justo antes de empezar la adquisin de datos (Si hubiera problemas con el caudal de aire emitido por el ventilador, recurrir a las Tablas 1 y 2).

    4. Pulsar START y selecciona la carpeta y el nombre del archivo donde se guardarn los datos de la simulacin.

    5. Mediante la aplicacin informtica encender la resistencia elctrica (botn AR-1) para que caliente el agua del tanque a una temperatura entre 40 y 45 C (por 40 C) (PID SET POINT 40C (ST-1)) (ver Figura 31). Cuando parpadee el botn de la interfaz o cuando el sensor 1 marque la temperatura que hemos fijado el agua estar lista para realizar el ensayo.

    6. Calcular la superficie del depsito (o buscar en el manual de equipos de laboratorio por si apareciera como dato).

    7. Cuando se alcance la temperatura de 40C en el sensor ST-1, seleccionar el caudal de aire (FAN) a un valor entre 1 y 10 mediante la aplicacin informtica (por ejemplo 7, en la ruleta ) (ver Figura 31)

    8. Encender la bomba de agua (AB-1, ver Figura 31) y seccionar el caudal de agua mediante el rotmetro mecnico (por ejemplo 1 l/min).

    9. Una vez pasados 5 min, el caudal que cae de vuelta al depsito se habr estabilizado. Pulsar start saving y anotar el nivel de agua que hay en el depsito

    10. Una vez pasados los 60 minutos (o menos, dependiendo del tiempo disponible) empleados en la simulacin:

    a. anotamos el nivel del depsito, el tiempo transcurrido y pulsamos stop saving. Pulsamos Quit y salimos de la aplicacin informtica.

    b. Copiar el archivo con extensin del bloc de notas ubicado en la carpeta que se seleccion inicialmente para guardar los datos de la simulacin. Apagamos el ordenador y posteriormente el sistema de adquisicin de datos.

    11. Con todos los datos obtenidos se puede pasar a realizar los clculos que se piden en esta prctica.

    Nota: Puede ser que el medidor de presin diferencial no funcione correctamente, si se diera ese caso, entonces habr que obtener la velocidad del aire al pasar por la torre mediante las siguientes tablas, donde se aproxima de este valor de velocidad en funcin de la posicin del actuador:

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 27 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Caudal de aire que suministra el ventilador en funcin del tipo de torre ensayada a) Torre A

    Tabla 1. Caudal de aire impulsado por el ventilador en funcin de la posicin (Torre A).

    b) Torre B

    Si se realiza una comparacin entre ambas torres, merece la pena fijarnos como el flujo en las posiciones que en la torre A no era detectado, mientras que ahora s, por esto cabe esperar que las prdidas sean menores en la segunda torre, adems por el tamao de la misma.

    4.- CLCULOS A REALIZAR A PARTIR DE LOS DATOS EXPERIMENTALES A partir de los datos experimentales y de las ecuaciones que se adjuntan en este guin de prcticas, determinar:

    a) Velocidad de evaporacin del agua que atraviesa la torre de refrigeracin. b) Masa de agua evaporada. c) Cantidad de energa transferida. Calcularlo de forma numrica o mediante el diagrama

    psicromtrico. d) Evolucin temporal de los sensores 2-7, 3-4 y 5-6 , en parejas as como concretar unas

    conclusiones segn lo que refleja los grficos.

    Posicin Caudal (l/s)

    10 13,345 9 12,56 8 11,775 7 10,99 6 10,205 5 9,42 4 8,635 3 7,065 2 4,71 0 0

    Posicin Caudal (l/s)

    10 17,27 9 16,485 8 15,7 7 14,915 6 14,13 5 13,345 4 12,56 3 10,205 2 7,065 1 3,14 0 0

    Tabla 2. Caudal de aire impulsado por el ventilador

    (Torre B)

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 28 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    5.- EVALUACIN

    En la memoria a entregar, se incluir la explicacin del procedimiento de clculo y ecuaciones asociadas, suposiciones, simplificaciones, etc. as como las mediciones y resultados de cada apartado en tablas y/o grficos. Debe incluir finalmente un apartado de conclusiones.

  • Manual de trabajos dirigidos

    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 29 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Universidad de Jan

    Departamento de Ingeniera Mecnica y Minera rea de Mquinas y Motores Trmicos

    GRADO EN INGENIERA MECNICA

    Asignatura: Ingeniera Trmica II

    Trabajos dirigido 2: Modelado de sistemas trmicos

    con PC.

  • Manual de trabajos dirigidos

    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 30 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Universidad de Jan

    Departamento de Ingeniera Mecnica y Minera rea de Mquinas y Motores Trmicos

    GRADO EN INGENIERA MECNICA

    Asignatura: Ingeniera Trmica II

    TRABAJO DIRIGIDO N 2

    MODELADO DE SISTEMAS TRMICOS CON PC

    El objetivo del presente trabajo es que el alumno se introduzca en el modelado de sistemas trmicos que requieran el uso de propiedades trmicas de fluidos, combustibles, etc. Para ello se incluyen varios apartados asociados al uso de propiedades termofsicas y termoqumicas de la materia, modelando diferentes aspectos en transformaciones, ciclos, etc. Los conocimientos necesarios a este respecto se basan inicialmente en los contenidos de la asignatura Ingeniera Trmica y en los de la presente Ingeniera Trmica II. Repasada la primera, se requiere el estudio de los diferentes temas de la actual disciplina. Se entregan los ficheros necesarios en formato *.m de MatLab, as como un manual de uso de las funciones necesarias de esta aplicacin, y otro documento de ejercicios resueltos con PC Procedimiento de realizacin del trabajo: 1.- Atendiendo al manual de uso de funciones (Manual), los estudiantes deben ir realizando los ejercicios que se indican en el otro documento (Ejrecicios), observando la forma de introducir los datos, cmo se realizan los clculos y sacando conclusiones. En este apartado hay dos aspectos bien diferenciados:

    a) Existen ejercicios totalmente programados, para los cuales el alumno no tiene ms que ejecutar el fichero, obervando entonces los resultados y sacar conclusiones. En estos ejercicios suelen aparecer cuestiones asociadas que habr que responder despus. b) Existen otros ejercicios cuyo clculo debe programar a partir de las funciones del manual.

    Como resultado de esta fase, deben dominar la forma de obtener propiedades termofsicas (termodinmicas y de transporte) de las sustancias, modelar ciclos termodinmicos en rgimen estacionario, clculos en intercambiadores y transferencia de calor, generacin de calor y trabajo en rgimen estacionario y transitorio. 2.- Como consecuencia de la realizacin de este trabajo, se debe realizar una memoria sencilla en donde se indique lo siguiente:

    2.a) Comente brevemente, saque conclusiones y conteste las cuestiones que se piden (esto ltimo slo cuando se pida expresamente) tras observar los resultados de los siguientes ejercicios: 2.2, 2.3, 3.2, 4.1, 4.3, 6.2, 6.3, 6.5, 6.6, 7.2, 7.3, 7.4, 8.1, 8.2. En los casos en que se solicite, incluya grficas (p.e. 8.1 y 8.2)

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 31 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    2.b) Programe los clculos oportunos con PC respecto a los siguientes ejercicios de la relacin de problemas resueltos con PC y resulvalos: 1.1, 1.2, 1.3, 1 ejemplo del 2.1, 1 ejemplo del 3.1, 5.1, 5.5, 5.6, 6.7, 6.8, 7.5, 1 ejemplo para el 9.1 y otro para el 9.2. Casi todos estos estos ejercicios estn relacionados con ejercicios de la relacin de problemas resueltos de la asignatura. En esos casos, comprelos. En el caso del ejercicio. 6.7, y para el ejemplo del ciclo de vapor, hay que incluir propiedades extensivas (potencias y calores en kW). Si el ejercicio seleccionado no las calcula, el alumno debe incluirlas (consultar con el profesor).

    2.c) Para el caso del ejercicio realizado de central de vapor de ciclo de turbina de gas, establecer un modelo para realizar la captacin con energa solar mediante concentracin. Los datos adicionales necesarios sern indicados en su momento por el profesor. Incluir en la memoria una grfica de los diferentes componentes de la radiacin instantnea modelada (W/m2) que llega a la superficie normal de apertura de los colectores, o en su caso, la que llega al receptor central si se modela una central de torre. 2.d) Para el caso del ejercicio realizado en la TG, establecer un modelo para determinar el volumen, composicin de los humosy caractersticas de los mismos a la salida de la TG. Los datos adicionales necesarios sern indicados en su momento por el profesor. Incluir resultados. 2.e) Para el caso de la central de vapor, predisee el condensador (como intercambiador de carcasa y tubos) y la torre de refrigeracin. Los datos adicionales necesarios sern indicados en su momento por el profesor. 2.f) Igualmente, para el caso de la central de vapor, predisee el caldern (condiciones especificadas en el ej. 6.8) y banco de tubos del vaporizador (dimensiones y velocidades del fluido) en el hogar de la caldera. Los datos adicionales necesarios sern indicados en su momento por el profesor.

    EVALUACIN: Aparte de la memoria (pdf), hay que entregar las funciones programadas (ficheros *.m desde los del ap. 2.b hasta 2.f) en un fichero comprimido (zip rar). Se tendr en cuenta la concrecin de datos, resultados, presentacin de tablas y grficas finales comentadas en la memoria. Es importante remarcar que hay que ser conciso en las explicaciones y comentarios. El tiempo de realizacin de esta fase no debe extenderse demasiado por culpa de la realizacin de la memoria asociada a ella. Estas competencias sern evaluadas convenientemente a travs del examen de modelado al final de curso (a principios de mayo) de forma OPTATIVA

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 32 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Universidad de Jan Departamento de Ingeniera Mecnica y Minera

    rea de Mquinas y Motores Trmicos

    GRADO EN INGENIERA MECNICA Asignatura: Ingeniera Trmica II

    Trabajos dirigido 3: Examen de modelado trmico

    con PC (Optativo). OBJETIVO: Con objeto te evaluar las competencias adquiridas en el trabajo dirigido 2 (Modelado de sistemas trmicos con PC), se presenta este ltimo trabajo dirigido, el cual consistir en realizar un examen de programacin. DESCRIPCIN: Para realizar el examen ser necesario disponer de la aplicacin informtica Matlab, por lo que el examen se realizar en un aula de informtica con presencia del profesor. Los contenidos que entran en el examen son todos los que abarca el trabajo dirigido 2. FECHAS DE INTERS Plazo de solicitud de examen: antes del 15 de abril. Debido a que es un examen optativo, es necesario avisar al profesor con antelacin por e-mail. Plazo de realizacin del examen: a principios de mayo.

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 33 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    ANEXO I. MANUAL DE EQUIPOS DE LABORATORIO

    1. CENTRAL TRMICA DE LABORATORIO

    1.- CENTRAL DE VAPOR

    En este captulo se presenta la minicentral de vapor existente en el laboratorio de mquinas y motores trmicos de la EPS de Jan. Su comprensin es necesaria para la puesta en marcha de las prcticas correspondientes a este bloque temtico. Esta minicentral de vapor est constituida por los siguientes elementos bsicos: caldera de vapor, turbina, generador elctrico, condensador, y bomba de alimentacin de agua a la caldera.

    Estos elementos son los que realizan un

    ciclo termodinmico de Rankine, de la siguiente forma: el agua en forma lquida entra a la bomba de alimentacin (Fig. 1, punto 0), la cual impulsa a aquella hacia la caldera elevando su presin (Fig. 1, punto 1). En la caldera, se quema un combustible (en este caso gasleo), obtenindose una cantidad determinada de energa. Esta energa se denomina primaria, y la asignaremos al PCI del combustible. Gran parte de esta energa se cede al agua de la caldera, de forma que pasa a transformarse en vapor. Este vapor, dependiendo de las necesidades, puede ser saturado o sobrecalentado, aunque la caldera referida slo es capaz de generar vapor saturado

    (Fig. 1, punto 2). En este momento, el vapor pasa

    hacia la turbina, donde se expande hasta una presin muy inferior, siendo en esta central de 1 bar (Fig. 1, punto 3). Este proceso implica un movimiento de giro en la mquina trmica para su utilizacin en forma de energa mecnica. En las centrales elctricas, este eje se acopla a un generador elctrico, el cual transforma el trabajo mecnico de aquel en energa elctrica para su posterior distribucin y consumo.

    El vapor expandido se transforma de

    nuevo en lquido previo paso por el condensador (Fig. 1, punto 4), almacenndose en una tanque de agua. En las centrales reales, este agua se recircula de nuevo hacia la caldera, formndose un ciclo cerrado. Sin embargo, en la minicentral, el consumo de vapor es mnimo, debido a la baja potencia instalada, de forma que no es preciso cerrar el circuito, consumindose agua de la red general, siendo este punto lquido subenfriado, en vez de ser saturado. Adems de estos equipos que completan el ciclo termodinmico, se disponen de otros absolutamente necesarios para la puesta en marcha de la instalacin: Torre de enfriamiento o de refrigeracin (con electro bomba de agua incorporada). La condensacin del vapor procedente de la turbina requiere que otro fluido recoja ese calor latente. Normalmente, en el interior del condensador circula agua fra que se calienta al pasar

    Figura 1.- Central trmica de vapor

    Figura A1.2.- Ciclo terico de la central de

    laboratorio sin recalentamiento de la Fig. 2.1

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 34 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    por aquel. Esta agua fra circula en mucha mayor cantidad que el agua del circuito de vapor. De esta forma, interesa tener un circuito cerrado de agua para que lleve sta al condensador, calentndose en l, que permita refrigerarla posteriormente y volver de nuevo a aquel. El aparato dedicado a esa refrigeracin es la torre de enfriamiento, y la circulacin de agua necesita de una bomba. Depsito de combustible: encargado de almacenar el gasleo necesario para la caldera. Quemador. Es el equipo que quema el combustible en la caldera. Est adosado a ella. Sobrecalentador elctrico de vapor. El sobrecalentamiento en esta minicentral se realiza de forma elctrica. Adems, lleva incorporado un separador de humedad, de forma que asegura que todo el fluido que pase hacia la turbina sea vapor. Depsito de agua de alimentacin con depurador. En vez de entrar directamente de la red, con todas sus impurezas, el agua pasa a travs de un desmineralizador, eliminando la mayora de ellas. Esta agua se almacena en un depsito para pasar a la bomba de alimentacin a continuacin. De esta forma, adems de depurar el agua y proteger el circuito de la instalacin, se evitan fluctuaciones indeseables de caudal en la toma de la red general de agua. Tanque de condensado. Recoge el agua condensada tras pasar por el aparato pertinente. Tanque de recoleccin de purgas. En el circuito de vapor se pueden producir en ciertas ocasiones sobre presiones a causa del funcionamiento del sistema. En puntos determinados, existirn vlvulas de purga que eliminarn parte de vapor y as retornarn la presin en esos puntos a su ptimo valor. Estas purgas se recogen en un tanque concentrndolas para su posterior eliminacin. Descargador de condensado. Es un equipo colocado tras la caldera, y que descarga todo el lquido que se ha obtenido en el separador de vapor del sobrecalentador. Resistencia de carga del alternador. La potencia elctrica generada por el alternador se consume en este aparato, con sus correspondientes sensores, y as se puede determinar la potencia elctrica generada en cada instante, adems del rendimiento de la instalacin.

    En el esquema presentado en la Fig. 3 se pueden observar todos los equipos de la instalacin anteriormente mencionados.

    Figura 3.- Minicentral de vapor

    En la instalacin existe una gran cantidad de vlvulas de purga, descarga, sensores de

    presin, de temperatura, etc., que no se han indicado en este esquema, y que se detallarn posteriormente. El esquema completo se observa junto a la minicentral, y se puede observar en l todos estos aparatos. Existen algunos equipos en los que no es entrar en detalle, debido a su simplicidad o por la inconveniencia de hacerlo.

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 35 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    2.- CARACTERSTICAS. CONTROLES E INSTRUMENTACIN.

    A continuacin se describirn los equipos principales y sus caractersticas, as como su instrumentacin y control para un buen funcionamiento de la instalacin. 2.1.- Caldera.

    La caldera es de tipo vertical con tubos de agua (Fig. 4). Sus caractersticas principales son:

    Superficie de calefaccin 8 m2 Presin de timbre 12 kg/cm2 Presin de trabajo 10 kg/cm2 Produccin de vapor saturado 205 kg/h Temperatura mxima de vapor 185 1C Presin de prueba hidrulica 17 kg/cm2

    El cuerpo cilndrico superior (caldern) funciona como colector-separador de agua y

    vapor. El cuerpo inferior contiene los tubos ascendentes y descendentes, adems de un colector, a travs de los cuales se vaporiza el lquido procedente de la bomba de alimentacin.

    La caja de humos (2) est situada en la parte superior y tiene un dimetro de 180mm. En la misma caja se encuentra la toma (1) para analizar los humos y una toma de temperatura de gases (3).

    Figura 4.- Caldera de vapor correspondiente a la minicentral

    El cuerpo cilndrico posee los siguientes equipos de medida y control (ver fig. 4):

    Indicador de nivel (14) provisto de vlvulas de interceptacin (9) y (10) y de vlvula de purga (7). Regulador de nivel de tres sondas (15) y sus correspondientes vlvulas de purga en el colector (8). Sonda de bloqueo de accionamiento (16). Si disminuye el nivel de agua, hace bloquear el quemador y se enciende un piloto de alarma en el cuadro de mando. Al alcanzar el nivel adecuado, se debe rearmar la sonda a travs del cuadro. Vlvula de seguridad (F) tarada a 12 kg/cm2 Toma de presin para el manmetro (17), situado en el cuadro de mando. Toma de presin para el preostato (18) de regulacin de tipo diferencial, conectado con el quemador.

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 36 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Dos vlvulas de prueba de nivel (11) y (12). Sirven para controlar el nivel: abriendo la superior, debe salir vapor, y abriendo la inferior, agua. Vlvula de interceptacin (13) de comunicacin a la atmsfera del manmetro (17). Vlvula de purga (38) del colector de manmetro y preostato.

    En la parte inferior se encuentran los siguientes elementos: Tubera para el agua de alimentacin procedente de la bomba con su correspondiente vlvula de corte (5) y de retencin (6). Vlvula de descarga (4) de agua de caldera 2.2.- Depsito de combustible y quemador.

    El depsito de gasleo (Fig. 5) tiene una capacidad de 90 l. y posee otro pequeo depsito interior con indicador de nivel (21), para visualizar el consumo de combustible. De este depsito parten dos tuberas (22) y (23) hacia el filtro de gas-oil (24), pasando a continuacin al quemador.

    La funcin de este equipo (ver Fig. 6) es quemar el combustible. Para ello, debe llevar el gasleo a condiciones ptimas para mezclarse con el aire comburente y conseguir un buen rendimiento de la combustin. Esto se consigue realizando dos procesos a la vez: el primero consiste en pulverizar el combustible al mximo a travs de una tobera, y el segundo es enviar el aire de combustin con una turbulencia adecuada mediante un ventilador.

    El encendido de la mezcla se consigue mediante dos electrodos prximos a la tobera de salida de combustible. Su encendido es a partir de un transformador, siendo su tensin de alimentacin de 12 V.

    Existe un indicador foto-resistente de la llama, interrumpiendo el flujo de combustible si

    faltara aquella. Para volver a poner en marcha el quemador, debe desbloquearse manualmente dicho bloqueo.

    Otro control es el que efecta el preostato de la caldera (18). Si la presin se eleva excesivamente, ste interrumpe la alimentacin al quemador hasta que baje la misma hasta 1 atm.

    Figura 6.- Esquema de quemador de combustible

    Figura 5.- Depsito de gasoil

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 37 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Su funcionamiento es como sigue: A) Pre-encendido: ajustando el preostato, poner en marcha la bomba, el ventilador y el transformador de encendido. El combustible es aspirado por la bomba a travs del filtro y enviado al by-pass. De aqu se devuelve al depsito a travs del tubo de reenvo pues la vlvula se encuentra cerrada. B) Encendido: despus de 20 segundos, se abre dicha vlvula y el combustible alcanza la tobera de salida, pulverizndose y encendindose. Encendiendo la primera llama, la chispa permanece en los electrodos unos 10 segundos. 2.3.- Turbina La turbina es del tipo de accin, de un salto de presin y de velocidad. Su velocidad nominal es de 6000 a 6200 r.p.m. Est compuesta por (ver Fig. 7): Carcasa: es la base sobre la que apoya el resto de componentes. Posee un colector de aceite de lubricacin, y un serpentn de cobre por el que pasa agua de refrigeracin procedente de la red general de suministro a travs de la vlvula (36), refrigerando al aceite. Distribuidor: constituido por dos toberas convergentes-divergentes, regula parcialmente la admisin de vapor a travs de un volante situado en la parte superior de la carcasa, de forma que se puede variar la velocidad de la turbina. Rotor. Es la pieza que transforma la energa del vapor en energa mecnica de rotacin. Est constituida por un rodete de 175 mm de dimetro, con una corona de 65 paletas.

    El control de sobre velocidad de la turbina se realiza mediante un regulador mecnico centrfugo. ste acciona una vlvula de doble asiento que controla directamente la entrada de vapor al distribuidor, regulando su flujo y manteniendo constante la velocidad de la mquina, an cuando vare la carga.

    Sus caractersticas principales son:

    Potencia mxima: 950 W

    Potencia nominal: 735 W

    Velocidad de rotacin 6000 r.p.m. Velocidad de accionamiento de muelle 6200-6500 r.p.m. Presin mxima a la entrada 7 kg/cm2 Presin de descarga 1 bar Temperatura mxima de entrada 250 1C

    Tanto a la entrada (33) y (34) como a su salida (31) y (32), se han situado unos

    sensores de presin (M) y temperatura (T). 2.4.- Condensador y depsito de condensados.

    La turbina descarga directamente el vapor a un condensador (ver Fig. 8). El agua refrigerante procedente de la torre de enfriamiento a travs de la vlvula (37) recorre dos circuitos de cobre interiores al condensador, recibiendo el calor de condensacin y consecuentemente aumentando su temperatura. Posteriormente, vuelve a la torre, en donde se enfriar. El agua condensada descarga en un depsito de condensados, justo debajo del condensador.

    Figura 7.- Turbina de vapor en la instalacin

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 38 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    Las caractersticas del condensador son:

    Nmero de tubos refrigerantes: 76 Dimetro de los tubos 14/12 mm Longitud de los tubos 0,51 m Superficie de condensacin 2,156 m2 Temperatura de entrada de agua de refrigeracin 30 1C Caudal de agua 4800 l/h Sobre las tuberas de entrada del agua de refrigeracin estn situados un contador

    (26) que indica la cantidad de agua de refrigeracin usada, las sondas (25) y (27) de temperatura, situadas a la entrada y salida del agua de refrigeracin, as como en la descarga del condensado (30).

    Figura 8.- Condensacin de vapor

    En cuanto al depsito de condensados, su capacidad es de 100 litros y posee un tubo

    de nivel (28) con escala graduada para medir el vapor consumido.

    A travs de la vlvula (29) pasar toda esta agua al depsito de purgas para su posterior eliminacin. 2.5.- Alternador

    El eje de la turbina se conecta directamente a un generador de corriente alterna con excitacin compuesta. Sus caractersticas principales son:

    Potencia 2,5 kW Tensin 200 V Intensidad 5 A Velocidad 6000 r.p.m.

    La energa elctrica desarrollada se utiliza en unas cargas resistentes, las cuales llevan

    incorporadas un ampermetro y voltmetro. De esta forma se puede determinar la potencia elctrica generada en cada instante por la instalacin. 2.7.- Cuadro de mando.

    Los controles e instrumentacin pertinentes se distribuyen de la siguiente forma en el cuadro de mando (ver fig. 9):

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 39 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    1. Voltmetro para medida de tensin de alternador.

    2. Taqumetro de turbina. 3. Ampermetro para medida de

    intensidad de corriente en carga. 4. Regulador de control de carga. 5. Termostato de regulacin de la

    resistencia elctrica del sobrecalentador.

    6. Pulsador de emergencia del quemador, conectado a la sonda de bloqueo (Fig. 4, punto 16). Al conectar el cuadro elctrico, la lmpara del pulsador se ilumina automticamente. Es preciso pulsar aquel siempre que se pone en marcha la instalacin.

    7. Piloto de parada del quemador. 8. Interruptor con lmpara de

    iluminacin de alimentacin elctrica del cuadro.

    9. Conmutador de control de la bomba de alimentacin del agua en la caldera. Si el conmutador est posicionado en AAuto@ (automtico) el funcionamiento de la bomba se realiza por los sensores instalados. Si se encuentra en la posicin AManual@, se har sin depender de aquellos.

    10. Interruptor con lmpara de iluminacin de encendido del quemador. Si est en funcionamiento se enciende una luz verde.

    11. Interruptor con lmpara de iluminacin de conexin de la resistencia elctrica para sobrecalentar el vapor en la turbina: sta resistencia elctrica se apagar automticamente si la tensin en el alternador no supera los 100V.

    12. Cuadro elctrico de la instalacin. 13. Interruptor general de conexin elctrica. 14. Indicador de presin del vapor a la entrada de la turbina 15. Indicador de temperatura del vapor a la entrada de la turbina 16. Indicador de presin del vapor a la salida de la turbina 17. Indicador de temperatura del vapor a la salida de la turbina 18. Indicador de temperatura del agua de refrigeracin a la salida del condensador 19. Indicador de temperatura del agua de refrigeracin a la entrada del condensador 20. Indicador de temperatura del agua condensada hacia el tanque de condensado.

    Figura 9.- Cuadro de mando

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 40 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    3.- PUESTA EN MARCHA DE LA INSTALACIN Y ENSAYOS

    El proceso de puesta en marcha es de la siguiente forma:

    Figura 10.- Posicin de vlvulas principales de la instalacin

    1. Abrir la vlvula de alimentacin hacia el desmineralizador (35) y regular el agua de

    enfriamiento de aceite de turbina por medio de su vlvula (36) (ver fig. 10). 2. Accionar el interruptor general del cuadro de mando 3. Accionar el interruptor para la alimentacin del cuadro 4. Accionar el interruptor de la bomba de alimentacin de la caldera en posicin automtica. 5. Pulsar el interruptor de Emergencia. Si ste queda encendido, esperar hasta que el nivel

    de la caldera supere el mnimo necesario. Pulsar nuevamente. 6. Pulsar la vlvula de interceptacin (13) de comunicacin a la atmsfera del manmetro. 7. Posicionar el interruptor en el nmero 1 de la puesta en marcha del quemador despus de

    haber comprobado que las vlvulas de alimentacin (22) (23) estn abiertas. 8. Esperar hasta que por el tubo de descarga del manmetro no salga vapor y cerrar

    entonces la vlvula. 9. Cuando el manmetro indique 2,5 atm. de presin, interrumpir el funcionamiento del

    quemador controlando que el nivel de la caldera no supere la marca superior del visor (14); en caso positivo, descargar el agua 1cm. aproximadamente por medio de la vlvula (4) y encender nuevamente el quemador.

    10. Cuando el quemador se pare automticamente por intervencin del preostato, controlar la presin de vapor en la caldera, de acuerdo al valor indicado en el manmetro. Abrir y cerrar las vlvulas de purga (13) y (38).

    11. Abrir la vlvula (37) del agua de refrigeracin al condensador y activar la torre de refrigeracin. Controlar el paso del agua al condensador por medio del contador (26).

    12. Abrir la vlvula de entrada de vapor a la turbina despus de haber controlado que el dispositivo de escape de sobre velocidad est enganchado (girar el volante de la vlvula de entrada, y abrirla de nuevo apretando hacia abajo la palanca de enganche lateral).

    13. Introducir carga al alternador, girando en sentido horario el botn de mando del cuadro. 14. Abrir con cuidado la vlvula de alimentacin de vapor de la caldera (20) y esperar unos

    minutos hasta que la turbina alcance la temperatura ptima. Seguidamente, abrir la vlvula (20) por completo y la vlvula de entrada al volante de la turbina. Abrir y cerrar la vlvula de purga (39) (ver fig. 10). Si se desea trabajar con vapor sobrecalentado, accionar el conmutador del sobrecalentador (la luz se encender cuando la tensin del alternador supere los 100 voltios). Regular el termostato en la temperatura deseada (200-220C).

    Una vez puesta en marcha la instalacin, tanto la velocidad como la carga que las

    resistencias consumirn habr que ajustarlas mediante el Regulador de Control de carga. Una vez que se estabilice su funcionamiento, el sistema se encuentra en condiciones estacionarias, momento en el cual se deben tomar los datos de funcionamiento. Nota: las medidas de caudal se realizarn midiendo con un cronmetro de la forma que indicar el profesor de prcticas.

  • Manual de trabajos dirigidos

    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 41 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.

    2.- MQUINA DE REFRIGERACIN POR EYECCIN DE VAPOR

    1.- INTRODUCCIN

    La Bomba R851 de Hilton de Calor/Refrigeracin por Eyeccin de Vapor, es un Refrigerador o Bomba de Calor que requiere una toma de calor para operar. Los efectos externos son exactamente iguales para una unidad de absorcin industrial, aunque el principio de funcionamiento sea diferente. La unidad puede ser considerada como una combinacin de Bomba de Calor/Refrigeracin.

    La Bomba de Calor trabaja con el Ciclo Rankine. El ciclo toma calor a una temperatura modesta (sobre 90C) y desecha calor a la temperatura del condensador (alrededor de 30C). El trabajo de salida de esta mquina se da en forma de Energa Cintica de un chorro de vapor en lugar de trabajo de un eje, como normalmente se utiliza.

    El Refrigerador opera en el Ciclo de Compresin de Vapor y usa la salida del Ciclo de Rankine. Toma calor a baja temperatura en el evaporador y elimina calor a una temperatura ms alta usando el mismo condensador que la Bomba de calor. 2.- DESCRIPCIN DEL SISTEMA

    En el tanque de calentamiento del generador de vapor, el agua caliente producida por un calentador elctrico de inmersin, transfiere calor al lquido refrigerante R-141-b que se transforma en vapor. Este vapor se expande posteriormente a travs de una tobera convergente-divergente hasta una velocidad supersnica.

    El vapor de refrigerante generado a una baja presin y temperatura en el evaporador por otro calentador elctrico es encadenado por este chorro de alta velocidad y la mezcla resultante pasa al difusor, que reduce la velocidad de la mezcla y eleva su presin, pasando al condensador. El vapor de refrigerante se condensa en el serpentn de enfriamiento de agua del condensador y retorna al evaporador a travs de una vlvula de expansin controlada por flotacin, y al generador de vapor a travs de una bomba de alimentacin de mbolo.

    Si el ingreso de calor al evaporador es ahora incrementado, la temperatura del evaporador se establecer a un nivel mayor. Si se reduce la tasa de flujo de agua de refrigeracin, la presin en el condensador aumentar, as como las temperaturas de evaporacin y condensacin.

    3.- CICLO COMBINADO RANKINE Y COMPRESIN DE VAPOR

    El trabajo entregado por la expansin de vapor en el ciclo de Rankine mueve el compresor del ciclo de Compresin de vapor. Debido a que los procesos intermedios ocurren a la misma temperatura, y acaban en lquido saturado, se puede utilizar el mismo condensador para los dos procesos, con lo que el diagrama sera (Fig. 1):

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    ASIGNATURA: INGENIERA TRMICA II 42 Grado en Ingeniera Mecnica Curso 3 rea de Mquinas y Motores Trmicos. Universidad de Jan.