P1 Sistemas Cerrados-2012.pdf

TRABAJO nº 1

Sistemas cerrados para gases ideales

TRABAJO Nº 1

ANÁLISIS DE PROCESOS EN SISTEMAS CERRADOS 1.- INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS El objetivo de la existencia de este equipo es que el alumno, durante las prácticas de laboratorio, aprenda experimentalmente los procesos que tienen lugar en sistemas cerrados termodinámicos con gases (es deseable también con vapores, pero por ahora, se desechará esta alternativa), tal y como se viene haciendo en los ejercicios aplicados de la teoría correspondiente.

Objetivos de aprendizaje específicos Principales - Conocer los fundamentos de las transformaciones termodinámicas en sistemas cerrados en los que evoluciona un gas que se considera perfecto. - Deducir, a partir de los datos leídos, parámetros físicos del sistema evaluado en aquellas condiciones. - Comparar el comportamiento de un gas (aire) según diversas condiciones. - Asociar lo aprendido con equipos cotidianos conocidos por el alumno.

Secundarios - Manejo de ecuaciones, unidades y tablas - Manejo de equipos de medida específicos - Relacionar lo observado con otras asignaturas de la titulación.

2.- ECUACIONES ASOCIADAS Las ecuaciones para el cálculo son las relacionadas con la ecuación de gases perfectos, el primer y segundo principio de la termodinámica, aplicados a sistemas cerrados, y propiedades termodinámicas para el aire en condiciones de gas perfecto. Se considerará al aire como una sustancia pura.

ASIGNATURA: INGENIERÍA I NGENIERÍA TÉRMICA MATERIA: INGENIERÍA I NGENIERÍA TÉRMICA TÉ RMICA Y DE FLUIDOS FLUI DOS TITULACIÓN: GRADOS DE INGENIERÍA. COMÚN A LA RAMA INDUSTRIAL © Área de Máquinas y Motores Térmicos. Universidad de Jaén

11

TRABAJO nº 1


3.- OPERACIÓN Y TOMA DE DATOS Antes de comenzar los experimentos, deben tomarse las siguientes medidas: - Medir la altura interior y el diámetro interior del cilindro - Medir la altura del émbolo y su peso - Pesar la barra de metal que actuará como peso - Tomar la temperatura ambiental.

Nota1: las presiones leídas de los manómetros son manométricas, es decir, que para realizar los cálculos, habrá que sumar a cada presión tomada el valor de la presión atmosférica.

Se realizarán tres experimentos distintos. 3.1.- Abrir la válvula y situar el pistón a media altura, tras lo cual se cierra aquélla. Tomar la altura respecto al fondo del extremo superior, la presión y temperatura en dicho instante, que serán los datos iniciales. A continuación poner un peso adicional (barra de metal) encima del pistón. Esperar a que éste deje de bajar. Tomar datos finales de presión, altura y temperatura. Realizar los cálculos teóricos y comparar con los experimentales.

3.2.- Abrir la válvula. Situar el pistón a la altura máxima y fijarlo en esta posición mediante la pletina dispuesta a tal efecto. Así el volumen será constante. Conectar el compresor con la manguera de aire de aspiración. Extraer cierta cantidad de aire muy poco a poco provocando un ligero vacío. No provocar bajo ningún concepto depresiones inferiores a -0,3bar, ya que pueden provocar que el pistón salga disparado hacia abajo en el siguiente paso, desestabilizando el cilindro y pudiendo ocasionar su avería y/o daños físicos si se cae. Tras extraer el aire, cerrar la válvula. Estas serán las condiciones iniciales del proceso. Tomar la altura respecto al fondo del extremo inferior del pistón, la presión y temperatura en dicho instante. Posteriormente, retirar el vástago que amarra el pistón de su posición, y esperar a que se sitúe en otra posición inferior. Tomar datos de éstas condiciones. Evaluar el proceso teóricamente y comparar con los resultados experimentales. Tras terminar este experimento, abrir lentamente la válvula hasta eliminar la depresión.

3.3.- Abrir la válvula. Situar el pistón a media altura dejándolo fijo en esta posición, manteniendo así el volumen constante. Comprobar que los tornillos superiores estén atornillados. Conectar el compresor con la manguera de aire de impulsión. Introducir poco a poco aire a presión. No provocar bajo ningún concepto sobrepresiones superiores a 0,3bar, ya que pueden provocar que el pistón salga disparado hacia arriba, desestabilizando el cilindro y pudiendo ocasionar su avería y/o daños físicos si se cae. Para evitar esto el émbolo está dotado de unos tornillos que actúan como topes en la parte superior. No obstante no se puede sobrepasar la presión de 0,3bar ya que estos tornillos podrían fallar.

ASIGNATURA: INGENIERÍA TÉRMICA MATERIA: INGENIERÍA TÉRMICA Y DE FLUIDOS TITULACIÓN: GRADOS DE INGENIERÍA. COMÚN A LA RAMA INDUSTRIAL © Área de Máquinas y Motores Térmicos. Universidad de Jaén

12

TRABAJO nº 1


Cerrar la válvula. En ese instante no habrá equilibrio mecánico, sino que existe cierta sobrepresión en el interior de la cámara. Tomar la altura respecto al fondo del extremo inferior del pistón, la presión y temperatura en dicho instante, que serán los datos iniciales. A continuación soltar el tope del cilindro. Esperar a que éste deje de subir. En caso de que llegue a la máxima altura, el punto final de la transformación continuará en desequilibrio mecánico. Hacer cálculos teóricos y comparar con los datos experimentales.

Nota 2: Los cálculos se harán de la forma más parecida posible a lo estudiado en teoría y visto en problemas, de forma que haya una conexión lo más estrecha posible entre estas experiencias y lo estudiado en teoría.

4.-. DISCUSIÓN En comparación con los ejercicios de clase, se presentan aquí dos problemas: el primero es que habrá pérdidas (o ganancias) de calor a través de las paredes del cilindro. En segundo lugar, el movimiento del pistón origina un trabajo de fricción entre los segmentos y el cilindro. En ningún caso se han analizado estas discrepancias, por lo que los resultados obtenidos tras las mediciones y cálculos estarán más o menos alejados de la realidad. Una vez salvados estos obstáculos, se pueden analizar el primer y segundo principios de la termodinámica en éstos, determinando trabajos, calores, energías internas, entropías y energías disponibles en un proceso entre dos estados termodinámicos del sistema, tal y como se explica en teoría. Respecto al trabajo del émbolo, atmosférico, etc., éstos dependen del espacio recorrido entre el instante inicial y final. Las propiedades termodinámicas de presión y temperatura varían y se pueden conocer en todo momento. El incremento de energía interna depende de los estados inicial y final del experimento.


13

TRABAJO nº 1


5.- TABLAS DE DATOS EXPERIMENTALES Medidas previas a los experimentos Masa del émbolo (kg) Altura del émbolo (m) Diámetro interior del cilindro (m) Altura del cilindro (m) Masa de la barra (kg)

Constantes a utilizar en los cálculos R AIRE (kJ/kg!K) CV (kJ/kg!K) CP (kJ/kg!K) g (m/s )

0,287 0,7175 1,0045 9,81

Propiedades del ambiente PATM (bar) T0 (K)

1

Tabla 1: Datos experimentales Propiedad

Experimento nº 1 Estado 1 (inicial) Estado 2 (final)

Profundidad (mm) Temperatura (ºC) Presión (bar, manométrica) Presión (bar, absoluta)

Propiedad



Propiedad




14

TRABAJO nº 1


Modelos de tablas a rellenar PARA CADA EXPERIMENTO Cálculos experimentales Propiedad Estado 1 Estado 2 T (K) P (bar) H (m) V (m3) Masa de aire (kg) Vol. esp. (m3/kg) u (kJ/kg) Proceso Transformación 1-2 To (K) !u (kJ/kg) Watm (kJ) Wotros (kJ) Wext (kJ) !s (kJ/kgK) ed1-ed2 (kJ/kg) Edis onible erdida (kJ) Cálculo teórico 1: Adiabático Propiedad Estado 1 Estado 2 T (K) P (bar) H (m) V (m3) Masa de aire (kg) Vol. esp. (m3/kg) u (kJ/kg) Proceso Transformación 1-2 To (K) !u (kJ/kg) Watm (kJ) Wotros (kJ) Wext (kJ) !s (kJ/kgK) ed1-ed2 (kJ/kg) Edisponible perdida (kJ)


15

TRABAJO nº 1


Cálculo teórico 2: Isotermo Propiedad Estado 1 Estado 2 T (K) P (bar) H (m) V (m3) Masa de aire (kg) Vol. esp. (m3/kg) u (kJ/kg) Proceso Transformación 1-2 To (K) !u (kJ/kg) Watm (kJ) Wotros (kJ) Wext (kJ) !s (kJ/kgK) ed1-ed2 (kJ/kg) Edisponible perdida (kJ) Cálculo teórico 3: Politrópico (n=_____) Propiedad Estado 1 Estado 2 T (K) P (bar) H (m) V (m3) Masa de aire (kg) Vol. esp. (m3/kg) u (kJ/kg) Proceso Transformación 1-2 To (K) !u (kJ/kg) Watm (kJ) Wotros (kJ) Wext (kJ) !s (kJ/kgK) ed1-ed2 (kJ/kg) Edisponible perdida (kJ)


16

TRABAJO nº 1


5.- EVALUACIÓN El alumno tendrá que presentar los siguientes documentos: a) Una memoria formato electrónico Word o pdf , que incluya las tablas de datos tomados en el laboratorio y las los resultados de los cálculos. Se incluirá la explicación del procedimiento de cálculo y ecuaciones asociadas, suposiciones, simplificaciones, etc. Debe incluir finalmente un apartado de conclusiones. b) Un archivo de hoja de cálculo ( Excel ) en el cual se hallen todos los cálculos necesarios para realizar la práctica.


17

P1 Sistemas Cerrados-2012.pdf

Recommend Documents