UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA FACULTAD DE INGENIERÍA Escuela de Ingeniería Mecánica Departamento de Energética Laboratorio de Termodinámica
MANEJO DE INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN: TERMO ANEMÓMETRO Y CALORÍMETRO.
Preparador:
Elaborado por:
Sergio Otero
Nathaly Ferrer Carlos Cardenas Albert Díaz Gustavo Arzola Caracas, Noviembre 2014
Resumen El siguiente informe se basa en las mediciones de la velocidad y la temperatura del aire que salen de un banco de pruebas para procesos de acondicionamiento de aire del que se dispone en el laboratorio, para lo cual se hizo uso de un termo-anemómetro; así mismo, se midieron las presiones de alta y de baja del refrigerante utilizado en el ciclo de refrigeración de dicho banco con manómetros localizados en ciertos puntos del mismo, todo con la finalidad de definir los estados termodinámicos completos a las presiones citadas anteriormente. Por otro lado, se medió también el calor específico del agua utilizando un calorímetro y se procedió a la comparación de dicho valor con el valor especificado en tablas. “
”
Introducción La obtención de datos cobra cada vez más importancia en el ámbito industrial, profesional y privado; en este sentido, los instrumentos de medición juegan un papel determinante; sobre todo aquellos instrumentos de medida prácticos que operan de modo rápido y ofrecen resultados confiables en cada medición. Así, por ejemplo, un termo anemómetro nos permite realizar mediciones rápidas y exactas de la velocidad del aire para usos en sistemas de aire acondicionado, calefacción y ventilación, así como también, la temperatura del mismo. De igual manera, la utilización de calorímetros nos permite determinar el calor específico de los cuerpos, así como las cantidades de calor que liberan o absorben los mismos. En este sentido, desde el punto de vista de ingeniería mecánica, tanto el termo anemómetro como el calorímetro constituyen instrumentos de medición importantes en cuando a describir procesos termodinámicos se refiere.
Objetivos
Determinar la temperatura y velocidad media (con su respectiva desviación estándar) del aire que sale de un banco de pruebas para procesos de acondicionamiento de aire: a) Cuando el sistema de refrigeración está apagado. b) Cuando el sistema de refrigeración está encendido. Definir el estado de alta y de baja del refrigerante utilizado en el ciclo de refrigeración. Determinar el calor específico del agua mediante la utilización de un calorímetro. Comparar el calor específico medido con el calor específico especificado en tablas.
Procedimiento Con el Termo anemómetro: 1. Hacer 4 mediciones de la temperatura y la velocidad del aire que sale del banco de pruebas cuando el sistema de refrigeración está apagado. 2. Repetir el procedimiento anterior para cuando el sistema de refrigeración está encendido. 3. Con los datos anteriores calcular la temperatura y velocidad media con su respectiva desviación estándar. 4. Medir la presión de alta y de baja del ciclo de refrigeración. 5. Entrar a las tablas de R-22 saturado con los valores de presión (absolutos) encontrados en el paso anterior y tomar nota de los datos que terminan de definir el estado.
Con el calorímetro: 1. Tomar nota de los valores de voltaje y corriente indicados en el calorímetro. 2. Medir la temperatura de entrada y la temperatura de salida del agua que pasa a través del calorímetro. 3. Medir el tiempo que tarda el agua en ocupar un volumen de 400ml en un recipiente graduado. 4. Calcular el calor específico utilizando las ecuaciones adecuadas (ver Fórmulas). 5. Tomar nota del valor del calor específico del agua de las tablas de los libros ( Recomendación: Van Wylen). 6. Comparar el calor específico medido con el calor específico de tablas. Fórmulas:
Cp =
=
ṁ∆
Dónde:
Dónde: Cp: calor específico en (kJ/kg-K)
: Volumen por unidad de tiempo
: Rapidez de transferencia de
V : volumen en (m 3)
3
en (m /s)
calor en (J/s) t: tiempo en (s) ṁ: masa por unidad de tiempo en
(kg/s) ∆T:
=
Variación de la temperatura en (K)
Dónde: V: voltaje en (V)
ṁ =
I: corriente en (A)
Dónde: 3
ρ: densidad en (kg/m )
Resultados (Termo-anemómetro)
N° medición 1 2 3 4
Sistema de refrigeración apagado v (m/s) T (°C) 3,4 25,4 3,2 25,3 3,3 25,3 3,4 25,3
Sistema de refrigeración encendido v (m/s) T (°C) 3 14,6 3 14,5 3,1 14,4 3,1 14,3
Tabal N°1 – Valores de Velocidad ( V ) y Temperatura ( T ) medidos con un termo anemómetro.
v (m/s) T (°C)
Sistema de refrigeración apagado 3,325 ± 0,1 25,325 ± 0,05
Sistema de refrigeración encendido 3,5 ± 0,52 14,45 ± 0,13
Tabla N° 2 – Valores de Velocidad y Temperatura media con su respectiva desviación estándar.
Patm (mmHg) medida con un barómetro Patm (mmHg) con factor de corrección 694,6 691,7 Tabla N° 3 – Valor de Presión atmosférica ( P atm ) en mmHg.
Patm (KPa) con factor de corrección 92,220 Tabla N° 4 – Valores de Presión atmosférica en KPa.
PH (psi) PH (KPa) PL (psi) PL (KPa) 235 1620,29 67 461,95 Tabla N° 5 – Valores de Presión de alta ( P H ) y de baja ( P L ) (relativas).
PH (MPa) PL (MPa) 1,7125 0,5542 Tabla N°6 – Valores de Presión de alta ( PH ) y de baja ( P L ) (absolutas)
Volumen Específico Entalpía Entropía T(°C) P(MPa) vf ( m /kg) vg(m /kg) hf (kJ/kg) hg(kJ/kg) sf (kJ/kg-k) sg(kJ/kg-k) 3,28 0,5542 0,000785 0,042684 48,459357 251,107265 0,189020 0,922172 Tabla N°7 – Estado termodinámico para la Presión de baja.
T(°C) P(MPa) 44,58 1,7125
Volumen Específico vf ( m /kg) vg(m /kg) 0,000900 0,013440
Entalpía Entropía hf (kJ/kg) hg(kJ/kg) sf (kJ/kg-k) sg(kJ/kg-k) 100,415683 261,832954 0,360653 0,868740
Tabla N°8 – Estado termodinámico para la Presión de alta.
(Calorímetro) V (V) 110
I (A) 13,5
Ts (K) 313,15
Te (K) 300,93
v (m ) -
4x10
t (s) 13,6
ρ
(kg/m ) 997
Tabla N°9 – Valores de voltaje, corriente, Temperatura de entrada, temperatura de salida, volumen de agua, tiempo y densidad del agua.
Q (J/s) 1485
V (m /s) 0,0294x10-
(kg/s) 0,0293 Tabla N°10 – Valores de Q, V, ṁ y ∆T. ṁ
Cp (kJ/kg-k) (medido) Cp (kJ/kg-k) (de tabla) 4,148 4,184 Tabla N°11 – Valor del calor específico ( Cp ) del agua.
Cp (kJ/kg-k) (medido) Varianza 4,148 4,184
T (k) 12,22
∆
Análisis de resultados En el primer experimento se puede observar que las mediciones del aire que sale del banco de pruebas para procesos de acondicionamiento de aire está a una temperatura de 25,33°C, un poco más baja que la temperatura ambiente de 26°C esa pequeña diferencia puede deberse a un error en la apreciación del Termo-anemómetro con que se toma la temperatura. Cuando se enciende el sistema de refrigeración se observa como la temperatura del aire desciende como a de esperarse de 25,33°C a 14,45 °C, debido a que el refrigerante R22 absorbe calor del sistema en su ciclo de refrigeración, también se nota que la velocidad del aire desciende de 3,33m/s a 3,05 m/s, esto también a de esperarse ya que el aire frio es más denso y alcanza menores velocidades que el aire caliente. En todo este proceso se puede concluir que el refrigerante R-22 se encuentra en un estado de saturación ya que se trabaja en un rango de presión absoluta entre 1,7125MPa y 0,5542MPa y un rango de temperatura de 3,28°C y 44,58°C esto asegura que este adentro del domo de saturación y que haya presencia de líquido y gas En el segundo experimento después de realizar los cálculos con las mediciones hechas se llegó al valor de calor específico a presión constante (Cp) de 4,148 kJ/kg.k cuando se compara al valor real de tabla de 4,184 kJ/kg-k se puede notar una pequeña diferencia en el segundo y tercer decimal, esto es debido al error humano en la medición de temperaturas cuando entra y sale el agua en el calorímetro, al error normal en el cálculo de los valores por el redondeo y depreciación de los decimales.
Conclusión Se logró medir la velocidad y la temperatura media del aire que salía de banco de pruebas para procesos de acondicionamiento de aire con el sistema de refrigeración apagado y prendido después de promediar sus valores y encontrar su desviación estándar concluyendo que sus valores antes y después del encendido eran lógicos considerando el ciclo de refrigeración del R-22. También se definió el estado de alta y baja presión del R-22 en su ciclo de refrigeración atreves de la tabla de propiedades termodinámicas del refrigerante R-22 por medio de sus presiones absolutas. En el segundo experimento atreves de un calorímetro y sus valores de voltaje, corriente, densidad del material, caudal, temperatura de entrada y de salida se lograron calcular un valor experimental de calor específico del agua el cual se comparó con el valor real por tabla del calor especifico del agua en esas condiciones y se concluyó que es muy cercano y que el valor calculado es correcto
Bibliografía pce-iberica. Instrumentos de medida. (consultado el 08/11/2014) disponible en: http://www.pce-
iberica.es/instrumentos-de-medida/instrumentos-medida.htm T & P refrigeración. Termo Anemómetro Digital . (consultado el 08/11/2014) disponible en:
http://www.typrefrigeracion.com.mx/index.php?page=shop.product_details&flypage=flypa ge.tpl&product_id=268&category_id=31&option=com_virtuemart&Itemid=41 Wikipedia. Calorímetro. (consultado el 08/11/2014) disponible en:
http://es.wikipedia.org/wiki/Calor%C3%ADmetro Van Wylen. Fundamentos de Termodinamica. 2da edición.
