informe 1

Índice Página

I.

Análisis energético y determinación de la eficiencia de una caldera

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2

Análisis energético y exergético de un compresor

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2

Análisis energético y exergético de una estufa eléctrica

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3

IV.

Conclusiones

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4

V.

Bibliografía

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5

II.

III.

CIENCIAS E INGENIERÍA Sección: Ingeniería Mecánica

ANÁLISIS ENERGÉTICO Y DETERMINACIÓN DE LA EFICIENCIA DE UNA CALDERA 1. OBJETIVO: Determinar la eficiencia energética de una caldera acuotubular aplicando el método indirecto, según la norma NTP 350.300. 2. EQUIPO A EMPLEAR: Para este ensayo se utilizará una caldera acuotubular – horizontal, marca Bryan Boilers, modelo LCM- 150 según las siguientes características:     

Numero de pasos: 6 Capacidad de producción: 1237 lb/h (Vapor a 100 °C) Presión de trabajo: 140 psi Potencia nominal: 36 BHP Combustible: Diesel 2

3. INSTRUMENTACIÓN:  Termocuplas de superficie.  Cinta métrica.  Analizador de gases de la marca Testo.  Opacímetro de la marca Testo.  Manómetro de Bourdon.  Termómetro y barómetro. 4. PROCEDIMIENTO: Para la máxima presión de trabajo (10 barg) y un tiempo de operación de 15 minutos de la caldera, se deben realizar las siguientes mediciones, de acuerdo a la norma NTP 350.300: 1. Para los gases de combustión: a. Temperatura de gases de combustión a la salida del equipo b. Concentración de los gases de combustión a la salida del equipo (base seca) c. Índice de Bacharach 2. Para las pérdidas por transferencia de calor en la superficie a. Tomar 5 mediciones de temperatura en cada superficie de la caldera que cubre el fluido de trabajo. Asimismo, medir el área de cada superficie. b. Tomar 5 mediciones de temperatura en cada superficie de la caldera que cubre los gases de combustión. Asimismo, medir el área de cada superficie. c. Registrar la velocidad del viento en la proximidad de la caldera d. Registrar la temperatura ambiente alrededor de la caldera

Laboratorio N°1 Termodinámica 2

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Luego de tomadas todas las mediciones necesarias se procederá a realizar el cálculo de la eficiencia energética de la caldera con el método indirecto, de acuerdo al procedimiento señalado en la sección 7 de la norma NTP 350.300. 5. ESQUEMA TÉCNICO: En la siguiente figura observamos que a la cámara de combustione ingresa el diésel 2 y el aire, luego del proceso de combustión se libera calor hacia el exterior y se emana gases, y otra parte del calor es absorbido por el agua, y este circula por la plata en forma de vapor.

6. CÁLCULO DE LA EFICIENCIA DE UNA CALDERA:


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Análisis energético y exergético de un compresor 1. OBJETIVOS: Aplicar las Leyes de la Termodinámica para realizar el análisis energético y exergético del compresor de la primera etapa del módulo de compresión de dos etapas con postrefrigeración. 2. EQUIPOS A EMPLEAR: Se utilizará el módulo de compresión de dos etapas del laboratorio de energía. El cual está compuesto por dos compresores en serie, un intercambiador con refrigeración inmediata y un intercambiador para refrigeración posteriror. El sistema tiene además un tanque de medición del flujo másico de aire comprimido y un tanque de almacenamiento. Equipos empleados: 







 

Compresor primera etapa  Tipo : Desplazamiento positivo - simple efecto  Número de pistones :2  Diámetro : 101.6 mm  Carrera : 101.6 mm  Relación de trasmisión : 3 a 1 (motor/compresor) Compresor segunda etapa  Tipo : Desplazamiento positivo – simple efecto  Número de pistones :2  Diámetro : 66.7 mm  Carrera : 63.7 mm  Relación de trasmisión : 3 a 1 (motor/compresor) Intercambiador de refrigeración intermedia  Tipo : Carcasa y serpentín  Enfriador : Agua Intercambiador de refrigeración posterior  Tipo : Carcasa y serpentín  Enfriador : Agua Tanque de admisión de aire  Placa orificio : Ø=32.04 mm, Cd=0.6 Tanque de almacenamiento de aire

3. INSTRUMENTACIÓN:        

Termocuplas de superficie y display digital de temperatura: conectadas a 10 puntos superficiales de los equipos Rotámetros de área variable en los intercambiadores de calor Manómetro inclinado para placa orificio Manómetros de Bourdon en los compresores y en el tanque de almacenamiento Dinamómetros Camry de resorte en los motores Tacómetro de láser: mide la velocidad del motor en RPM. Voltímetro y amperímetro Higrómetro: usado para medir la humedad del aire.


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4. PROCEDIMIENTO: Para una presión de 2 bar manométrico en el tanque de almacenamiento se realizará el análisis energético y exergético en la primera etapa del módulo de compresión. Antes del Ensayo:   

Verificar la posición correcta de la válvula de 3 vías de la instalación. La válvula de vías de la segunda etapa debe anular el funcionamiento de esta etapa. Verificar el correcto nivel del manómetro inclinado del tanque de admisión. Purgar el condensado en los intercambiadores de calor y en el tanque de almacenamiento. Asegurarse de dejar las válvulas correctamente cerradas luego de realizar la purga.

Durante el ensayo:  

      

Abrir completamente la válvula de regulación del tanque de almacenamiento. Abrir las válvulas del agua de refrigeración del intercambiador intermedio hasta conseguir el caudal de 1 L/min, y las válvulas de descompresión de la primera etapa. Habilitar el tablero eléctrico y el panel de control de los compresores Levantar la llave general y encender el rectificador de corriente. Arrancar la primera etapa girando la perilla arranque de motor. Cerrar válvulas de descompresión del compresor. Llevar la velocidad de giro del compresor a 500 RPM con la ayuda de la perilla de control de velocidad. Luego de alcanzar la velocidad, se cerrará lentamente la válvula de regulación hasta alcanzar una presión en el tanque de 2 bar manométrico. Esperar que las temperaturas se estabilicen y tomar datos.

Para apagar el equipo:    

Abrir completamente la válvula de regulación. Reducir la velocidad del compresor. Apagar la unidad. Cerrar válvulas de refrigeración del intercambiador intermedio


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5. HOJA DE DATOS: En el laboratorio se tomaron los siguientes datos: 5.1. Condiciones ambientales: Parámetro Temperatura Presión Humedad relativa

Unidades °C Pa %

Valor 25 101.4 73

5.2. Datos del sistema de aire comprimido: PARÁMETROS Diferencia de presión – Placa orificio Temperatura Aire – Ingreso a la 1° Etapa Aire – Salida de la 1° Etapa Aire – Salida del Intercooler Agua – Ingreso al Intercooler Agua – Salida del Intercooler Aire – Tanque de Almacenamiento Presión Aire – Salida de la 1° Etapa Aire – Tanque de Almacenamiento Caudal Agua en el Intercooler Motor Fuerza en el dinamómetro Velocidad rotacional Voltaje Corriente Distancia


UNIDAD kPa

MEDICIÓN 0.17

°C °C °C °C °C °C

27.3 124.5 31.1 25.1 36.4 -

bar bar

1.7 2

l/min

0.95

N RPM V A m

66 456 210 11 0.22

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6. ESQUEMA TÉCNICO: P4= 200 kpa T4= 397.5 K

T6= 309.4 K

T5= 298.1 K P motor 220 V 12 A

w= 456*3=1368 F=66N


P3= 170 kpa T3= 304.1K

P2= 170 kpa T2= 397.5 K

P1= 101.325 kpa T1= 300.3 K

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7. CÁLCULOS: a) Determinar el exponente politrópico del proceso. 𝑃1 = 101.325 𝑘𝑃𝑎

𝑇1 = 300.3 𝐾

𝑃2 = 170 𝑘𝑃𝑎

𝑇2 = 397.5 𝐾

Como es politrópico se despeja el exponente en la siguiente relación: 𝑃1 𝑉1𝑛 = 𝑃2 𝑉2𝑛 = 𝐶𝑇𝐸

𝑛=

𝑃 ln 1 𝑃2

𝑛 = 2.18

𝑃 𝑇 ln 1 + ln 2 𝑃2

𝑇1

b) La potencia de fricción en el proceso despreciando la energía cinética y potencial.

P2= 170 kPa T2= 397.5 K Motor

Q°

w= 456*3=1368 F= 66 N

P1= 101.325 kPa T1= 300.3 K

Calculo del Torque del motor que es entregado al compresor y el flujo másico: TRABAJO DE MOTOR 𝜔 = 3 × 456 𝑅𝑃𝑀 𝑊 = −𝜔 × 𝜏

𝜏 = 𝐹 × 𝑑 = 14.52 𝑁𝑚 𝑊 = −2.08 𝑘𝑊

FLUJO MÁSICO 𝑝0 ∆ℎ 𝑇0

ṁ = 0.0001292√

ṁ = 0.0098

𝑘𝑔 𝑠

Como es un FEES, de tablas se obtiene: 𝐶𝑝 = 1.0035

𝑘𝐽 𝑘𝑔.𝐾

del aire

Haciendo balance de energía: 𝑊̇ + 𝑚̇ℎ1 = 𝑄̇ + 𝑚̇ℎ2 𝑄̇ = 𝑊̇ + 𝑚̇𝐶𝑝 (𝑇1 − 𝑇2 ) 𝑄̇ = 1.124 𝑘𝑊 Potencia de fricción Laboratorio N°1 Termodinámica 2

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𝑅 = 0.287


𝑛 𝑚̇𝑅 (𝑇1 − 𝑇2 ) 𝑊̇𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 1−𝑛

̇ − 𝑊̇𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 1.575 𝑘𝑊 𝑄̇𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛 = −𝑊

c) Calcular las corrientes de exergía y dibujar un diagrama de Sankey con dichas corrientes. Exergía suministrada Se entrega exergía en las entradas 1 y 5 𝑒10 = (ℎ1 − ℎ0 ) − 𝑇0 (𝑠1 − 𝑠0 ) También se puede expresar de la siguiente manera ya que poseemos lo datos de la ecuación: P0=101.325 kPa 𝑇1 𝑃1 T0=298 K 𝑒10 = 𝐶𝑝 (𝑇1 − 𝑇0 ) − 𝑇0 (𝐶𝑝 ln ( ) − 𝑅𝑙𝑛 ( )) 𝑇0 𝑃0 𝑒10 = 8.86

𝐽 𝑘𝑔

𝐸1 = 𝑚̇𝑒10 = 0.087 𝑊 Para la entrada 5 se pueden usar las tablas termodinámicas para determinar las propiedades del agua en ese punto. 𝑘𝐽

𝑇5 = 25.1°𝐶

𝑠5 = 0.36879 𝑘𝑔.𝐾

𝑇0 = 25°𝐶

𝑠0 = 0.3674


𝑘𝐽

ℎ5 = 105.308 𝑘𝑔.𝐾 ℎ0 = 104.89


Usando la primera ecuación de exergía: 𝐽

𝑒50 = 3.78 𝑘𝑔

𝑙

𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙 = 1 𝑚𝑖𝑛

1𝑘𝑔 1 𝑚𝑖𝑛 1𝑙 60𝑠

= 0.0167

𝑘𝑔 𝑠

𝐸5 = 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 × 𝑒50 = 0.063𝑊 Exergía evacuada Se puede notar que los puntos 4 y 6 son donde se evacua exergía: Para el punto 4 se utilizara la segunda ecuación de exergía 𝑇4 𝑃4 𝑒40 = 𝐶𝑝 (𝑇4 − 𝑇0 ) − 𝑇0 (𝐶𝑝 ln ( ) − 𝑅𝑙𝑛 ( )) 𝑇0 𝑃0 𝑒40 = 71.85

𝑘𝐽 𝑘𝑔

𝐸4 = 𝑚̇𝑒40 = 704 𝑊


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Para el punto 6 que es agua se procede de la misma manera que en el punto 5: 𝑘𝐽

𝑇6 = 36.4°𝐶 𝑒60 = 937.832

𝑘𝐽

𝑠6 = 0.524116 𝑘𝑔.𝐾

ℎ6 = 152.5292 𝑘𝑔.𝐾

𝐽 𝑘𝑔

𝐸6 = 𝑚̇𝑎𝑔𝑢𝑎 × 𝑒60 = 15.63𝑊 DIAGRAMA DE SANKEY E4 E6

EELECTRICO

E1

E5

d) Calcular la pérdida de exergía y el rendimiento exergético. Exergía perdida 𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑉 × 𝐼 = 210 × 11 = 2310 𝑊 𝐸𝑠𝑢𝑚 = 𝐸1 + 𝐸5 + 𝐸𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 = 2310.15 𝑊 𝐸𝑒𝑣𝑎𝑐 = 𝐸6 + 𝐸4 = 719.63 𝑊 𝐸𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 = 𝐸𝑠𝑢𝑚 − 𝐸𝑒𝑣𝑎𝑐 = 1590.52 𝑊 Rendimiento exergético 𝑛=

𝐸𝑒𝑣𝑎𝑐 719.63 = = 0.3115 = 31.15% 𝐸𝑠𝑢𝑚 2310.15


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ANALISIS ENERGETICO Y EXERGETICO DE UNA ESTUFA ELECTRICA

1.- OBJETIVO: Aplicar las leyes de la termodinámica para realizar el análisis energético y exergético de una estufa eléctrica. 2.-EQUIPOS A EMPLEAR: 

Estufa eléctrica rectangular, marca Fisher Scientific CO., modelo 104, N° de serie A103, con los siguientes datos de placa: 230V, 5A, 50/60 Hz.

3.- Instrumentación: * Transmisores de temperatura con termocuplas de inmersión * Termocuplas de superficie y display de temperatura * Multímetro digital * Cinta métrico * Balanza 4.-PROCEDIMIENTO: Antes de iniciar el ensayo verificar lo siguiente: * Buen estado del equipo * Interruptores apagados * Conexión a tierra del equipo Para el ensayo: 1. Conectar el equipo al suministro general 2. Introducir un recipiente con 1 litro de aceite dentro de la estufa 3. Tomar las dimensiones de la estufa (largo, ancho, alto de la estufa y espesor del aislante) 4. Encender el interruptor principal del equipo, el interruptor del ventilador (en baja velocidad) y el interruptor de la resistencia eléctricas. 5. Elevar la temperatura dentro del horno hasta un Set Point de 65°C 6. Esperar hasta que la temperatura del aceite llegue a 50°C


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7. Tomar la temperatura de cada superficie de la estufa. Para ello se harán mediciones en 6 puntos de cada una de las caras de la estufa. 8. Realizar las mediciones de voltaje y corriente que está consumiendo las resistencias eléctricas del equipo 9. Finalmente, apagar el equipo. 10. Desactivar las resistencias eléctricas, el ventilador, el interruptor principal.

DATOS TOMADOS Conclusiones: Gerardo Barrantes (20125167): 





El cálculo del análisis energético en la caldera con el método que la norma NPT 350.300 es muy útil y práctico; sin embargo, según lo experimentado se podría recuperar la energía perdida en las emisiones de la chimenea que se encuentran a una temperatura elevada. Si se aprovechara esa energía perdida en los gases productos luego de la combustión la eficiencia de la máquina aumentaría, estos gases podrían servir a través de una tuberías para ayudar a calentar el, agua o darles otro uso como calefacción. El rendimiento exergético del compresor es reducido de 31.15%, esto se debe a que en el compresor las pérdidas de energía son elevadas disminuyendo su rendimiento, se pierde energía calorífica por el poco aislamiento; energía sonora y el metal del intercambiador de calor se encontraba a una temperatura muy elevada perceptible al tacto. El aceite es un mal conductor térmico, es por ello que se necesita mucho tiempo para lograr calentarlo; además observamos que a pesar de contener paredes con aislante, el calor fluía por las pareces al exterior, esto se verifico con la termocupla y se podía percibir al tacto.

9. BIBLIOGRAFIA  

Guía de Laboratorio de Termodinámica. Mora-Shapiro. Fundamentos de termodinámica técnica VOL1, VOL2.


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