TRANSFERENCIA DE ENERGÍA EN FORMA DE TRABAJO: Introducción

GRUPO:

EQUIPO:

FECHA:

INTEGRANTES:

1. HABILIDADES A DESARROLLAR:

• Que el alumno realice un balance de energía en una turbina de impulsión a partir de la medición de algunas variables termodinámicas, temperatura, presión, flujo másico, etc.
• Realizar cálculos y comparar con las mediciones, identificando las causas de las diferencias.
• Que el alumno comprenda la transformación de la energía de movimiento en energía mecánica, energía calorífica, y  perdidas de energía por fricción u otras causas.

1. INTRODUCCIÓN Y JUSTIFICACIÓN:

Generalmente, los sistemas de interés en la industria interactúan normalmente con sus alrededores esencialmente en dos formas: transferencia de energía en forma de trabajo y transferencia de energía en forma de calor.

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA EN FORMA DE TRABAJO:

El trabajo mecánico hecho por o sobre un sistema, es el resultado de la acción de una  fuerza a lo largo de un desplazamiento, es decir:

                                             [pic 4]     (limites de s1 a s2)

O bien en función del cambio de volumen resulta:

                                          [pic 5]      (limites de v1 a v2)

De esta forma el trabajo realizado por el sistema a sus alrededores es función del cambio de volumen (sólo para el caso de un sistema cerrado), además si el trabajo lo entrega el sistema a sus alrededores, se considera con signo positivo, y si el trabajo es de los alrededores hacia el sistema (como cuando se utiliza una fuerza para comprimir un gas) se considera signo negativo.

Cabe destacar que aparte del trabajo mecánico hay otra gran diversidad de trabajo, como  son: Trabajo eléctrico: donde la fuerza es el voltaje (potencial eléctrico) y el desplazamiento es la carga eléctrica. Trabajo magnético: donde la fuerza es la resistencia del campo magnético y el desplazamiento es el momento del dipolo magnético. Trabajo de polarización eléctrica: donde la fuerza es la resistencia del campo magnético y  el desplazamiento es la polarización del medio (la suma de los momentos de rotación del dipolo eléctrico de las moléculas). Este trabajo de polarización es la electricidad suministrada a una batería de corriente.

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA EN FORMA DE CALOR:

La otra forma de Transferencia de energía se debe a la diferencia de temperatura que pueda  existir entre las fronteras del sistema y sus alrededores, esta forma de transferir energía se le conoce como Calor. La transferencia de calor se da, de la fuente de mayor energía  (temperatura), hacia la fuente de menor energía (temperatura).

El calor es energía en transición y se reconoce cuando cruza las fronteras de un sistema.

Balance de energía

La primera ley de la termodinámica, conocida también como el principio de conservación de la energía, brinda una base sólida para estudiar relaciones entre las diversas formas de interacción de energía

                                                  [pic 6]

Esta relación es más conocida como balance de energía y es aplicable a cualquier tipo de sistema que experimenta cualquier clase de proceso.

Para determinar el cambio de energía de un sistema durante un proceso se requiere evaluar la energía del sistema al principio y al final del proceso y encontrar su diferencia. Es decir:

Cambio de energía del sistema = Energía en el estado final – Energía en el estado inicial

                                               [pic 7]

El balance de energía se expresa de modo más explicito como:

       [pic 8]

Balance de energía:

[pic 9]

Análisis De Energía De Sistemas De Flujo Estable

                           [pic 10]

Para el caso de la práctica, considerar que no hay transferencia de calor, que no hay cambios de energía  cinética y potencial, y el único trabajo desarrollado es el de la flecha. Además se considera que el flujo de aire es un gas ideal.

De esta manera, el balance de energía queda como:

                                                       [pic 11]   

Conceptos teóricos requeridos

• Sistema termodinámico
• Propiedades termodinámicas
• Funciones de estado y funciones de trayectoria
• Transferencia de energía por calor

La transferencia de calor hacia un sistema (ganancia de calor) incrementa la energía de las moléculas y por lo tanto la del sistema; asimismo, la transferencia de calor desde un sistema (perdida de calor) la disminuye, ya que la energía transferida como calor viene de la energía de las moléculas del sistema.

El calor se transfiere mediante tres mecanismos: conducción, convección y radiación. La conducción es la transferencia de energía de las partículas más energéticas de una sustancia a las adyacentes menos energéticas, como resultado de la interacción entre partículas. La convección es la transferencia de energía entre una superficie sólida y el fluido adyacente que se encuentra en movimiento, y tiene que ver con los efectos combinados de la conducción y el movimiento del fluido. La radiación es la transferencia de energía debida a la emisión de ondas electromagnéticas (o fotones).

• Transferencia de energía por trabajo

La transferencia de trabajo (W), Una interacción de energía que no es causada por una diferencia de temperatura entre un sistema  y el exterior es trabajo. Un embolo ascendente, un eje rotatorio y un alambre eléctrico que cruzan la frontera del sistema se relacionan con interacciones de trabajo.

La transferencia de trabajo a un sistema (es decir, el trabajo realizado sobre un sistema) incrementa la energía de este, mientras que la transferencia de trabajo desde un sistema (es decir, el trabajo realizado por el sistema) la disminuye, puesto que la energía transferida como trabajo viene de la energía contenida en el sistema. Los motores de automóviles y las turbinas hidráulicas, de vapor o de gas, producen trabajo, mientras que los compresores, las bombas y los mezcladores consumen energía.  

• Entalpía de un gas ideal

La entalpía proviene del vocablo griego enthalphien que significa calentar, es una combinación de propiedades, la energía interna y el trabajo dentro de un sistema y se denota mediante H.

H = U + PV

• Volumen de control
• Balance de energía
• Sistema adiabático
• Potencia
• Eficiencia mecánica
• Perdidas de energía por fricción

1. MATERIAL, HERRAMIENTAS Y EQUIPO DE SEGURIDAD A EMPLEAR:

• Turbina de impulsión HM 270
• Turbina de reacción HM 272.
• Conexión de aire comprimido
• Conexión eléctrica 110V (extensión)

1. DESARROLLO EXPERIMENTAL:

Parte 1. Potencia de una turbina de impulsión.

[pic 12]

1. Conectar el suministro de energía, 110V.
2. Conectar el suministro de aire comprimido.
3. Ajustar el regulador de presión de la toma principal de aire comprimido a 3 bar.
4. Encender el interruptor principal.
5. Ajustar el regulador de presión de la turbina de impulsión HM 270 a 2 bar.
6. Abrir completamente la válvula de cierre para enfriamiento con aire y las cuatro boquillas de inyección de aire.
7. Abrir lentamente la válvula de regulación fina hasta alcanzar 1 bar.
8. Frenar la turbina con el dispositivo de frenado hasta tener a una velocidad de 20000 rpm. Tomar nota de la velocidad, torque, temperatura y presión de entrada y de salida y el flujo volumétrico.
9. Registrar los datos en la Tabla 1.
10. Repetir el experimento dos veces más.
11. Realizar cálculos de la potencia por medio de las variables de entrada y salida (temperaturas y presiones) y comparar este resultado con el medido a través del torque.

Parte 2. Potencia de una turbina de reacción.

[pic 13]

1. Conectar el suministro de energía, 110V.
2. Conectar el suministro de aire comprimido.
3. Ajustar el regulador de presión de la toma principal de aire comprimido a 3 bar.
4. Encender el interruptor principal.
5. Ajustar el regulador de presión de la turbina de reacción HM 272 a 2 bar.
6. Abrir completamente la válvula de cierre para enfriamiento con aire.
7. Abrir lentamente la válvula de regulación fina hasta alcanzar 1 bar.
8. Frenar la turbina con el dispositivo de frenado hasta tener a una velocidad de 15000 rpm. Tomar nota de la velocidad, torque, temperatura y presión de entrada y de salida y el flujo volumétrico.
9. Registrar los datos en la Tabla 2.
10. Repetir el experimento dos veces más.
11. Realizar cálculos de la potencia por medio de las variables de entrada y salida (temperaturas y presiones) y comparar este resultado con el medido a través del torque.

1. REGISTRO DE DATOS Y RESULTADOS (Por equipo):

Tabla 1. Turbina de impulsión

Tabla 2. Turbina de reacción

1. NOMENCLATURA:

n = Velocidad, rpm

M = Torque, Ncm

Te = Temperatura de entrada, ºC

Ts = Temperatura de salida, ºC

Pe = Presión de entrada, bar

Ps = Presión de salida, bar

 = Flujo Volumétrico, %, 315 l/min equivalen al 100%[pic 20]

 = Potencia medida, W, se calcula con = 2πnT[pic 21][pic 22]

 = Potencia calculada, W, obtenida de un balance de energía[pic 23]

1. CUESTIONARIO:

1. Investigar el principio de funcionamiento de una turbina de impulsión y la turbina de reacción.
2. ¿Qué diferencias existe entre la turbina de impulsión y la turbina de reacción respecto a la velocidad y el torque?
3. Mencione aplicaciones de las turbinas de impulsión y las turbinas de reacción.
4. Establecer con sus propias palabras la primera ley de la termodinámica.
5. Definir un volumen de control y mencionar ejemplos de estos.
6. ¿Qué es una turbina y una tobera?
7. ¿Como se transforma la energía contenida en el flujo de entrada en energía mecánica rotacional?
8. ¿Que es la entalpía?
9. ¿Cual es la diferencia entre potencia medida y la potencia calculada?, expresar el resultado en porcentaje.
10. Qué residuos se generaron en la práctica y dónde fueron desechados?

1. ANÁLISIS DE RESULTADOS  Y  CONCLUSIONES INDIVIDUALES

1. BIBLIOGRAFÍA:

1. ANEXOS (Si es que existen):

1. DATOS DE REVISIÓN: