RESUMEN Se identificó las partes del refrigerador, en especial el área en donde se produce la expansión o estrangulamiento, mediante el cual se demostró la validez del principio de la validez del principio de Joule-Thompson para un refrigerante. Se realizó un esquema del ciclo con sus componentes principales con algunos datos de variables en cada punto del ciclo. Se ingresó los datos en el paquete de software con la finalidad de obtener los datos de la variación de algunas variables en dependencia de otros parámetros. Se realizó simulaciones de tres experiencia con diferentes valores de entrada y salida de variables, con los mismos procedimientos anteriores se ingresó los datos al software, se registró los datos que nos proporcionó el software. Con los datos registrados se realizó los cálculos para obtener el coeficiente de JouleThompson y las gráficas de cada experiencia para ver el comportamiento termodinámico del mismo. El conocimiento de las relaciones del Maxwell es fundamental, ya que las mayorías de la relaciones termodinámicos se las derivan a partir de esta s como lo es la relación de JouleThompson; estas relaciones me permite calcular sin mayor dificultad conociendo las variables termodinámicos como: T, P, V, H, S.
DESCRIPTORES: RELACIONES_DE_MAXWELL/COEFICIENTE_D RELACIONES_DE_MAXWELL/COEFICIENTE_DE_JOULE_TOMPSON/CI E_JOULE_TOMPSON/CICLO_ CLO_ DE_REFRIGERACION_RANKINE/VALVUL DE_REFRIGERACION_RANKINE/VALVULA_DE_ESTRANGUL A_DE_ESTRANGULAMIENTO. AMIENTO.
PRACTICA #3 COEFICIENTE DE JOULE Y THOMPSON 1. INTRODUCCION. Paquete informático ®Termo Graf v5.7, una de las herramientas muy importantes para poder resolver los problemas de termodinámica y que nos permite realizar tipos de gráficas que lo requiere como lo son: P-v, T-v, P-T, P-h, etc. Se puede dibujar ciclos y nos proporciona valores de cada uno de las propiedades calculadas del problema. El comportamiento de la temperatura de un fluido durante un proceso de estrangulamiento (h (h constante) está descrito por el coeficiente de Joule- Thomson. El coeficiente de Joule-Thomson es una medida del cambio en la temperatura con la presión durante un proceso de entalpía entalpía constante.
2. OBJETIVOS 2.1. Establecer las relaciones termodinámicas de Presión y Temperatura en una válvula de expansión o estrangulación. 2.2. Demostrar la validez del Principio de Joule y Thompson para aun refrigerante dentro de un ciclo de bomba de calor. 2.3. Analizar la dependencia de las variables Presión y Temperatura en Entalpia constante.
3. TEORÍA 3.1. Relaciones de Maxwell (Definición, Ecuaciones) Ecuaciones) Las ecuaciones que relacionan las derivadas parciales de las sustancias P, v, T y s de un sistema simple compresible entre si se llaman relaciones de Maxwell. Se obtienen a partir de las cuatro ecuaciones de Gibbs, explotando la exactitud de las diferenciales de las propiedades termodinámicas. RELACIONES DE GIBBS.
= ℎ = + +
Ec.3.1.-1 Ec.3.1.-2
Las otras relaciones de Gibbs se basan en dos nuevas combinaciones de propiedades: la función de Helmholtz a y la función de Gibbs g, definidas como:
= = ℎ
Ec.3.1.-3 Ec.3.1.-4
Se simplifican las relaciones anteriores con las ecuaciones 3.1-1 y 3.1-2, se obtienen las otras relaciones de Gibbs para sistemas simples compresibles:
= = +
Ec.3.1.-5 Ec.3.1.-6
Forma general para representar las relaciones de Gibbs:
= + ) ( ) = (
Ec.3.1.-7 Ec.3.1.-8
Aplicando la ecuación 3.1-7 para cada una de ellas se obtiene:
) = () ( ) = () ( ) = () ( ) = () (
Ec.3.1.-9
Ec.3.1.-10 Ec.3.1.-11 Ec.3.1.-12
Las relaciones de maxwell son de gran valor en la termodinámica porque permite determinar la entropía, que no es posible medir directamente a partir de la medición de los cambios en las propiedades P, V y T.
3.2. Coeficientes termodinámicos que se desprenden de las relaciones termodinámicas de Maxwell. Coeficiente de joule Thompson
= ℎ
Ecuación 3.2. - 1
< 0 = 0 > 0
Coeficiente de joule Thompson para un gas ideal
= 1 = 0
Ecuación 3.2. - 2 Ecuación 3.2. - 3
Expansividad volumétrica
=
Ecuación 3.2. – 4 4
Compresibilidad isotérmica
= Ecuación de claussius clapeyron
Ecuación 3.2. – 3.2. – 5 5
=
Ecuación 3.2. – 6 6
Ecuación de claussius clapeyron: en procesos de cambio de fase liquido – liquido – vapor vapor y solido – vapor vapor a presiones bajas
≅ − "
(Cengel, 2011)
Ecuación 3.2. – 7 7
4. PARTE EXPERIMENTAL 4.1. Recursos 4.1.1. Computadora 4.1.2. Paquete informático ®TermoGraf ®TermoGraf v5.7 4.1.3. Microsoft Excel
4.2. Materiales y Equipos 4.2.1. Refrigerador
4.3. Procedimiento 4.3.1. Observar las partes del equipo de Refrigeración en el laboratorio. ®TermoGraf v5.7 y modelar un ciclo de 4.3.2. Abrir el Paquete informático ®TermoGraf refrigeración Rankine Básico para el refirgerante R134a.
4.3.3. Establecer la temperatura de refrigeración a -10°C y a la salida del compresor a 20°C .
4.3.4. Realizar un barrido de propiedades en el punto donde finaliza la estrangulación, variando la temperatura hasta 15°C manteniendo entalpía constante, con incremento lineal.
4.3.5. Realizar tablas de Presión, Temperatura en el punto donde inicia y donde finaliza la estrangulación
4.3.6. Repetir el procedimiento para una salida del compresor a 40°C, y temperatura final de barrido 34°C, partiendo de la misma temperatura de refrigeración
4.3.7 Repetir el procedimiento para una salida del compresor a 59°C, y temperatura final de barrido 51°C, partiendo de la misma temperatura de refrigeración
5. PROCESAMIENTO PROCESAMIENTO DE DATOS 5.1. Datos experimentales
Tabla 5.1-1 Datos de Presión y Temperatura de la experiencia 1 N°
P[3]
T[3]
P[4]
T[4]
kPa
ºC
kPa
ºC -9
P[3] T[3] kPa ºC 14 502,111 158,377
P[4] kPa 326,168
T[4] ºC 3
216,953
-8
15 502,111 158,377
337,864
4
502,111 158,377
225,507
-7
16 502,111 158,377
349,879
5
5
502,111 158,377
234,320
-6
17 502,111 158,377
362,219
6
6
502,111 158,377
243,398
-5
18 502,111 158,377
374,888
7
7
502,111 158,377
252,744
-4
19 502,111 158,377
387,893
8
8
502,111 158,377
262,366
-3
20 502,111 158,377
401,240
9
9
502,111 158,377
272,268
-2
21 502,111 158,377
414,934
10
10 502,111 158,377
282,455
-1
22 502,111 158,377
428,980
11
11 502,111 158,377
292,933
0
23 502,111 158,377
443,386
12
12 502,111 158,377
303,708
1
24 502,111 158,377
458,157
13
13 502,111 158,377
314,784
2
25 502,111 158,377
473,298
14
26 502,111 158,377
488,816
15
1
502,111 158,377
200,601
-10
2
502,111 158,377
208,652
3
502,111 158,377
4
N°
Tabla 5.1-2 Datos de Presión y Temperatura de la experiencia 2
N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
P[3] kPa 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041
T[3] ºC 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869
P[4] kPa 200,601 214,938 230,057 245,987 262,757 280,394 298,930 318,393 338,814 360,223 360,223 382,651 382,651 406,129 406,129
T[4] ºC -10,0 -8,24 -6,48 -4,72 -2,96 -1,20 0,56 2,32 4,08 5,84 7,60 9,36
N° 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
P[3] kPa 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041 868,041
T[3] ºC 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869 341,869
P[4] kPa 430,690 456,365 483,186 511,187 540,400 570,858 602,597 635,649 670,050 705,835 743,038 781,697 821,847 863,524
T[4] ºC 11,12 12,88 14,64 16,40 18,16 19,92 21,68 23,44 25,20 26,96 28,72 30,48 32,24 34,00
Tabla 5.1-3 Datos de Presión y Temperatura de la experiencia 3
N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
kPa P[3] 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5
ºC T[3] 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545
kPa ºC P[4] T[4] 200,601 -10,00 220,685 -7,56 242,294 -5,12 265,504 -2,68 290,392 -0,24 317,036 2,20 345,517 4,64 375,916 7,08 408,317 9,52 442,803 11,96 479,460 14,4 518,375 16,84 559,636 19,28
N° 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
P[3] kPa 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5 1381,5
T[3] ºC 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545 518,545
P[4] kPa 603,333 649,557 698,401 749,958 804,324 861,596 921,874 985,257 1051,850 1121,750 1195,080 1271,930 1352,430
T[4] ºC 21,72 24,16 26,60 29,04 31,48 33,92 36,36 38,80 41,24 43,68 46,12 48,56 51,00
5.2. Cálculos 5.2.1. Calculo del coeficiente de Joule y Thompson
=
(1)
Tabla 5.2.1-1
ΔP kPa
ΔT ºc
-175,943
-155,377
-164,247
-154,377
-152,232
-153,377
-139,892
-152,377
-127,223
-151,377
-114,218
-150,377
-100,871
-149,377
-87,177
-148,377
-73,131
-147,377
-58,725
-146,377
u=(ΔT/ΔP) (°C/kPa) 0,883109871 0,939907578 1,007521415 1,089247419 1,189855608 1,316578823 1,480871608 1,702020028 2,015246612 2,492584078
Cálculos de coeficiente de Joule J oule y Thompson de la experiencia 1 ΔP
ΔT
u=(ΔT/ΔP)
kPa
ºc
(°C/kPa)
-301,51
-168,377
-293,459
-167,377
-285,158
-166,377
-276,604
-165,377
-267,791
-164,377
-258,713
-163,377
-249,367
-162,377
-239,745
-161,377
-229,843
-160,377
-219,656
-159,377
-209,178
-158,377
-198,403
-157,377
-187,327
-156,377
-43,954
-145,377
-28,813
-144,377
-13,295
-143,377
3,307480548 5,010828445 10,7842798
0,558445823 0,570359062 0,583455488 0,597883617 0,613825707 0,631498997 0,651156729 0,673119356 0,697767607 0,725575445 0,757139852 0,793218853 0,834780891
Tabla 5.2.1-1 Cálculo de coeficiente de Joule y Thompson de la experiencia 2
ΔP
ΔT
u=(ΔT/ΔP)
kPa
°C
(°C/kPa)
-667,44
-351,869
0,527191957 0,536070115
-653,103
-350,109
-637,984
-348,349
-622,054
-346,589
-605,284
-344,829
-587,647
-343,069
-569,111
-341,309
-549,648
-339,549
-529,227
-337,789
-507,818
-336,029
0,546015261 0,55716867 0,569697861 0,58380116 0,599723077 0,617757183 0,638268645 0,661711479
-485,39
-334,269
-461,912
-332,509
0,688660665 0,719853565 ΔP
ΔT
u=(ΔT/ΔP)
kPa
°C
(°C/kPa)
-437,351
-330,749
-411,676
-328,989
-384,855
-327,229
-356,854
-325,469
-327,641
-323,709
-297,183
-321,949
-265,444
-320,189
-232,392
-318,429
-197,991
-316,669
-162,206
-314,909
-125,003
-313,149
-86,344
-311,389
-46,194
-309,629
-4,517
-307,869
0,756255273 0,799145444 0,850265684 0,912050867 0,98799906 1,083335857 1,206239357 1,370223588 1,599411084 1,941414004 2,505131877 3,606376818 6,7027969 68,15784813
Tabla 5.2.1-1 Cálculo de coeficiente de Joule y Thompson de la experiencia 2 ΔP
ΔT
u=(ΔT/ΔP)
kPa
°C
(°C/kPa)
-1180,899
-528,545
0,447578497
-1160,815
-526,105
-1139,206
-523,665
-1115,996
-521,225
-1091,108
-518,785
-1064,464
-516,345
-1035,983
-513,905
-1005,584
-511,465
-973,183
-509,025
-938,697
-506,585
-902,04
-504,145
-863,125
-501,705
-821,864
-499,265
0,453220367 ΔP
ΔT
u=(ΔT/ΔP)
kPa
°C
(°C/kPa)
-778,167
-496,825
-731,943
-494,385
-683,099
-491,945
-631,542
-489,505
-577,176
-487,065
-519,904
-484,625
0,459675423 0,467049165 0,475466223 0,485075118 0,496055437 0,508624839 0,523051677 0,539668285 0,558894284 0,581265749 0,607478853
0,638455499 0,67544194 0,720166477 0,775094926 0,843876045 0,932143242 1,04908121
-459,626
-482,185
-396,243
-479,745
-329,65
-477,305
-259,75
-474,865
-186,42
-472,425
-109,57
-469,985
-29,07
-467,545
1,210734322 1,447914455 1,828161694 2,534196975 4,289358401
5.3. Resultados Tabla 5.3-1
16,08341933
Resultado de coeficiente de Joule y Thompson de la experiencia 1, 2 y 3
u=(ΔT/ΔP)
u=(ΔT/ΔP)
(°C/kPa)
(°C/kPa)
0,558445823
0,527191957
0,570359062
0,536070115
0,583455488
0,546015261
0,597883617
0,55716867
0,613825707
0,569697861
0,631498997
0,58380116
0,651156729
0,599723077
0,673119356
0,617757183
0,697767607
0,638268645
0,725575445
0,661711479
0,757139852
0,688660665
0,793218853
0,719853565
0,834780891
0,756255273
0,883109871
0,799145444
0,939907578
0,850265684
1,007521415
0,912050867
1,089247419
0,98799906
1,189855608
1,083335857
1,316578823
1,206239357
1,480871608
1,370223588
1,702020028
1,599411084
2,015246612
1,941414004
2,492584078
2,505131877
3,307480548
3,606376818
5,010828445
6,7027969
10,7842798
68,15784813
u=(ΔT/ΔP) (°C/kPa) 0,447578497 0,453220367 0,459675423 0,467049165 0,475466223 0,485075118 0,496055437 0,508624839 0,523051677 0,539668285 0,558894284 0,581265749 0,607478853 0,638455499 0,67544194 0,720166477 0,775094926 0,843876045 0,932143242 1,04908121 1,210734322 1,447914455 1,828161694 2,534196975 4,289358401 16,08341933
5.4. Observaciones 5.4.1. Se observó que el ciclo de refrigeración mostrado en la prácti ca, ya que este se trataba del proyecto congelador que trabaja en función de la Presión y Temperatura nos permitía conocer como este actúa como medio de transporte para mover el calor del evaporador al condensador.
5.4.2. Se observó que este ciclo de refrigeración pasa por cuatro puntos importantes que es la evaporación, compresión, condensación, control y expansión que es indispensable para extraer el calor y este sea disipado al ambiente.
5.4.3. Se observó que en la etapa de evaporación el refrigerante absorbe calor en donde cambia de fase de líquido a vapor, después del evaporador a baja presión pasa por el compresor donde se comprime incrementando la presión mediante líneas de descarga de compresor hasta el condensador.
5.4.4. Se observó que pasa a una etapa de condensación en el cual estaba el condensador este se encontraba localizado en la parte part e exterior del refrigerador en este punto se encuentra encuentra el gas a presiones y temperaturas altas y se rechaza calor al medio ambiente.
5.4.5. Se observó que tenía una válvula de expansión, la cual controla la alimentación del refrigerante líquido al evaporador, como también se encarga de
reducir la presión y la temperatura .y . y también para que comience un nuevo flujo.
6. DISCUSIÓN Al momento de realizar el barrido de propiedades, se debía tener en cuenta que este se lo debía realizar en el último punto, punto cuatro debido a que aquí se sacarían l as tablas referentes a temperatura y presión del ciclo y porque aquí en el barrido de propiedades es donde donde se define que condición condición se mantiene como punto fijo y que valor es el que se varia o se define. Al momento de exportar las tablas a Excel se encuentra un pequeño inconveniente, debido a que al momento de exportar la tabla 1, esta debe ser borrada al momento en que se intenta exportar la tabla 2, ya que si esto no se hace, la tabla que se exporte a Excel va a ser la misma tabla 1, por lo que se encontraran errores en las temperaturas y presiones de cada una.
7. CONCLUSIONES. 7.1. Se concluye la validez del coeficente de Joule Thompson para un refrigerante dentro del ciclo de refrigeración donde se analizó las variables de la Presion y Temperatura con Entalpia constante mediante la utilización del paquete termodinámico Termograf.
7.2. Se concluye que al aplicar la práctica sobre el coeficiente de Joule Thompson este nos ayuda a entender que el coeficiente coef iciente va aumentando conforme va disminuyendo la presión. 7.3. Se conclueye que el coeficiente coeficie nte de joule thomson, es una funcion que describen desc riben los procesos isoentropicos y los isoentalpicos y su aplicacion es mucho mas a nivel de laboratorio ya que en la vida real los procesos no son tan ideales, pero bajo ciertas condiciones, funcionan muy bien, además para poder determinar los procesos reales primero se debe representar el fenomeno ideal y luego hacer correcciones. 7.4.
8. APLICACIONES INDUSTRIALES (3 MÍNIMO) 8.1. CALEFACCION ELÉCTRICA DEL GAS NATURAL PARA PREVENIR EL CONGELAMIENTO DESPUÉS DE LA ACELERACIÓN. Precalentamiento del gas natural antes de su reducción por presión (aceleración) para sobrellevar la reducción de temperatura que resulta del efecto de JouleThomson.
8.2. PROCESO DE REFRIGERACIÓN INDUSTRIAL Los sistemas de Refrigeración Industrial de Johnson Controls trabajan detrás de las escenas para satisfacer las excesivas demandas resultantes de procesos críticos. Nuestros innovadores equipos de refrigeración y la tecnología de compresión de gas ayudan a mantener las condiciones ideales de temperatura de los alimentos y bebidas refrigeradas de forma segura, se gura, a través de soluciones para procesos industriales que trabajan de manera óptima.
8.3. JOULE- THOMSON ( JT) PLANTAS El control del punto de rocío de hidrocarburos que cumpla con las especificaciones de tuberías. Extraer valiosos líquidos de gas natural (LGN), aumentando significativamente los ingresos. Alternativa sencilla y menos costosa de planta de refrigeración estándar. No se requiere electricidad y no contiene partes móviles Incluye bomba de inyección de metanol, múltiples puertos de inyección y distribuidores de rociado.
8.4. PROCESO DE LICUACION DE GASES.
Este comportamiento se aplica en la industria para licuar un gas, por ejemplo, el aire. Para ello primero se enfría el gas ya sea por contacto con otro más frío o por expansión adiabática, y luego se lo deja expandir a través de un estrangulamiento. La disminución de presión y el descenso de temperatura provocado por este efecto, produce la licuación del gas.
9. ANEXOS 9.1. Diagrama Ph para el ciclo. 9.2. Diagrama T vs P (Una grafica para tres curvas) 10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 10.1. Citas bibliográficas (1) (Yunes A. Cengel, 2011) (2) Ibid (1) (3) Ibid (1) (4) Ibid (1) (5) Ibid (1) 10.2. Bibliografía 10.2.1. Yunes A. Cengel, M. A. (2011). Termodinámica. Termodinámica. Mexico: McGRAWHILL/INTERAMERICANA EDITORES,.
10.2.2. http://wattco.mx/casos-de-estudio/el-efecto-Joule-Thomson.html
