DISPOSITIVOS DE SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

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LABORATORIO DE TERMODINÁMICA.

DISPOSITIVOS DE SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

1. INTRODUCCIÓN

Las múltiples aplicaciones de las leyes de la termodinámica permiten que el ingeniero pueda comprender más las energías que existen y sus posibles transformaciones, por medio del estudio de la termodinámica, podemos comprender comportamientos con sus respectivas propiedades o características, como los conceptos de trabajo, calor, eficiencia o coeficientes de desempeño entre otros.

La aplicación de los múltiples conceptos nos permite entender de mejor manera un proceso o varios, así como nos da claridad para el estudio del diseño de nuestro conjunto de elementos que van a ser parte de un sistema.

La finalidad de este laboratorio tiene como objetivo comprender las propiedades que existen en un estado inicial y como estos cambian cuando un fluido pasa por un elemento que nos transforma esas propiedades, sacando ventajas sobre estas y aplicando estados naturales posteriores aplicados al fluido en estudio, de la misma forma, comprendiendo los cambios de energía que suceden en los diversos procesos.

1. OBJETIVOS

1. General

• Identificar y analizar el funcionamiento de los dispositivos conocidos como maquinas térmicas

1. Específicos

• Identificar y analizar el funcionamiento de una planta de fuerza de vapor.
• Identificar el funcionamiento de los motores de combustión interna
• Identificar las variables de fuente, sumidero y trabajo neto producido por las maquinas térmicas.
• Identificar las diferencias entre las maquinas térmicas reales y las ideales.
• Identificar y analizar los componentes de una cámara de refrigeración.
• Identificar las diferencias entre varios tipos de refrigeradores.
• Identificar las variables de espacio frio, sumidero y trabajo consumido por las de un refrigerador.
• Analizar la operación de un ciclo de refrigeración.
• Calcular el COP de un refrigerador.
• Identificar las diferencias entre los refrigeradores reales y los ideales.

1. RESUMEN DE LA PRACTICA

Para llevar a cabo la practica en la que se estudian los distintos dispositivos de la segunda ley de termodinámica, fue necesario poner a prueba algunos de los dispositivos que cumplen una de las dos funciones, bomba de calor o refrigerador, con el fin de analizar sus resultados, eficiencias y entender uno a uno como se desempeña cada uno de sus componentes.

Teniendo esto en cuanta, se estudiaron 2 de los dispositivos que se encuentran en el laboratorio de termodinámica de la fundación, si bien durante la práctica se hicieron los 2 análisis en paralelo, para una mayor facilidad de lectura y entendimiento se mostraran las prácticas de manera independiente, de manera que se encuentren los resultados del refrigerador y de la caldera (bomba de calor) por separado.

Refrigerador:

Para empezar, el refrigerador que se analiza es un refrigerador de nivel industrial, donde se pueden evidenciar de manera independiente cada uno de sus componentes y las medidas obtenidas en cada etapa, hablamos de presiones y temperaturas.

Una vez el equipo se puso en funcionamiento, se tomaron las distintas medidas de presión y temperatura iniciales, de manera que se pudieran comparar con el estado final, en este sentido se obtuvo que:

(insertar imágenes de medidas antes de la práctica y después de la practica)

Logrando así, enfriar un cuarto frio, es decir, tomar el calor presente en esta zona para si disminuir su temperatura

Caldera:

Para la práctica de la caldera, se buscaba, no solo generar calor, si no generar un trabajo a partir del vapor de agua, que se haría cargo más adelante de accionar una turbina que a su vez introduciría energía cinética a un generador, buscando así generar energía eléctrica, sin embargo es necesario tener en cuenta que esta parte del equipo no se encuentra funcionando de manera adecuada, por lo cual no es posible medir a cantidad de energía eléctrica que se obtuvo en este punto de la práctica, las medidas se tendrán hasta las presiones finales del vapor de agua.

Una vez se inicia la práctica, se realizan las conexiones necesarias para que la turbina se activara al final del ciclo, en este sentido fue necesario agregar una manguera que uniera estos 2 componentes.

Al tener este ensamble listo, se dio inicio a la práctica, se puso el quemador en automático para encender la caldera, en este momento se dio espera a que el agua llegara a las temperaturas y presiones

necesarias para que alcanzara su fase de vapor sobrecalentado o saturado (por definir) y de esta manera estar en condiciones de activar la turbina.

1. RESULTADOS

Para que los resultados se puedan leer de una manera entendible, también se hará una distinción entre la parte del estudio del refrigerador y luego de la caldera.

Refrigerador:

En la primera etapa de la práctica, condiciones iniciales, se tenían los siguientes datos:

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Fig. 1 Medidas obtenidas por elemento

Caldera:

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Fig. 2 Medidas obtenidas por elemento

1. CALCULOS, GRAFICOS Y FORMULACION

Teniendo en cuenta que el propósito de la práctica de laboratorio, es poder emplear los conocimientos aprendidos durante el semestre y lograr aplicar la primera ley, segunda ley y coeficientes de desempeño COP del refrigerador y algunos cálculos correspondientes a la caldera, nos haremos cargo de separar los cálculos y posteriormente su análisis, de manera que se mantenga la continuidad del documento y la facilidad de su lectura.

Es importante resaltar que para los momentos en los cuales los valores no estaban presentes en las tablas de vapor, fue necesario interpolar, en términos generales se utiliza la siguiente formula:

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No escribiremos la ecuación mas adelante, para evitar ser repetitivos a lo largo del documento.

Refrigerador:

Para el refrigerador, podemos tener en cuenta los componentes individuales y aplicar la primera ley a cada uno, sin embargo, por términos prácticos del laboratorio, nos enfocaremos en el general de toda la maquina termina, de manera que usaremos las siguientes ecuaciones:

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Lo que nos lleva a:

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En las ecuaciones anteriores, se entiende que son el sumidero y la fuente de calor respectivamente, y son los calores que encontramos en 2 componentes específicamente, el evaporador y el condensador respectivamente.[pic 9]

De manera que se cumpla el siguiente diagrama:

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Fig. 3. El refrigerador debe eliminar QL de un espacio

Para el Evaporador, donde tenemos , tenemos que la primera ley se ve como:[pic 11]

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En este punto, podemos tomar un Q que sale únicamente, y no encontramos ningún trabajo que entra o sale del sistema, de manera que:

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Lo cual se puede expresar como:

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Sin embargo, la masa del aire es un dato que no se tiene, pues no se tomó en el momento de hacer la práctica, de manera que únicamente podríamos dejarlo expresado como:

Para las temperaturas iniciales, que están en Celsius, se tiene que Cv es:

25 grados Celsius = 298.15 K

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Y

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Y en la ecuación usamos el promedio de estos 2 valores:

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De esta manera, el Q quedaría en función de la masa de aire que se tenga en el refrigerador y cambiaria en razón del cambio de Masa.

Y tendríamos entonces un COP en función de la masa y del trabajo que entra al compresor, valor que no se encontraba presente en las especificaciones del refrigerador que se estudió.

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Una forma de acercarse a esta práctica para tener un valor, podría ser usando la eficiencia térmica propuesta por la máquina de Carnot, en cuyo caso únicamente necesitamos las temperaturas y se expresa como:

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En cuyo caso, tendríamos que:

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Caldera:

Para la caldera, en términos generales los conceptos del ciclo son los mismos, la principal diferencia es el fin del proceso, pues en el ciclo de refrigeración buscamos robarnos el calor, mientras que en la caldera buscamos entregar calor o trabajo, como lo haremos en este caso.

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