Termodinámica General y Laboratorio – IWM210 Profesor Rodrigo Balderrama Informe !2 – Balance "e #nerg$a #n %n Tan&'e "e (ire )om*rimido Cristóbal León – Valentina Neira Pino Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de n!eniería Mec"nica #ct$bre %&' ()%(
[ 1]
Res'men+ *n esta sta e+perien iencia se midió la
para
sistem stemas as
abiertos
de
-l$ -l$3o
$ni-orme4
variación de temperat$ra ,$e s$-re $n !as al e+pandirse r"pidamente. Para esto se oc$pó $n compresor lleno ,$e -$e descar!ado por
(Q
entrada+
W entrada +
∑
)(
m ∙θ − Qsalida + W salida + ∑ m ∙ θ
entrada
salida
completo.
(1)
Lo ,$e se intenta demostrar es ,$e al abrir la v"lv$la del compresor / liberar el aire al ambiente' la presión dentro del estan,$e
Dond Dondee
cambia' cambia' lo c$al c$al provoc provocaa $na e+pansió e+pansión n del !as / $na dismin$ción de la temperat$ra de éste.
Q
representa el calor ,$e
entra entra o sale sistema sistema..
W
es el traba3o ,$e
entra o sale del sistema' ,$e p$ede ser de Tanto las condiciones ambientales son
re!istradas para poder replicar la e+periencia /
la
in-o in-orm rmac ació ión n
obte obteni nid da
ap$n ap$nta tada da
-ront -ronter era' a' eléct eléctri rico co o de -lec5 -lec5a. a.
/
comparada con los datos teóricos esperados para s$ posterior an"lisis.
masa masa..
*n esta esta e+pe e+perie rienc ncia ia se cons consid ideró eró el
es la
θ= h + ec + ep es la ener!ía de $na
corriente de -l$ido en la!$na entrada o salida por
1 Intr Introd od'c 'cci ci,n ,n a la la Teor$a or$a
m
$nidad
e =u + ec + ep
de
masa.
Por
6ltimo
es la la ener ener!í !íaa en el -l$ -l$id ido o
est"tico est"tico dentro del vol$me vol$men n de contro controll por
tan,$e de aire comprimido 0compresor1 como
( 1)
$n siste sistema ma adiab adiab"t "tico ico con con inte interc rcamb ambio io de
$nidad de masa. 7l aplicar la ec$ación
masa. Para reali2ar el balance de ener!ía se
al sistem sistema' a' se cons consid idera eraro ron n los los si!$i si!$ien ente tess
$tili2ó la ec$ación s$!erida por el te+to !$ía
s$p$estos4
)
PV =mRT %. No 5a/ trans-erencia de calor entre el tan,$e / el ambiente' es decir' se as$mió
( 7)
$n sistema adiab"tico' por lo tanto4
( 2)
Qentrada =Q salida =0
(. Los
cambios
de
velocidad
/ alt$ra
P
*n la c$al
[ kPa ] 9
V
es la presión en
[m ] 3
es el vol$men en
9
relacionados con el vol$men de control / las
corrientes
de
-l$ido
con
m es la masa del !as en
insi!ni-icantes' es decir4
(3)
ec = ep= 0 ⇒ θ=h ∧ e =u
temperat$ra en del
8. No 5a/ traba3o de -rontera p$esto el
kg
9
T es la
[ K ] / R es la constante
aire
como
( R= 0,2870 [ kJ / kg
!as
ideal
K ]) .
⋅
vol$men de control es constante9 tampoco 5a/ traba3o eléctrico' p$es este se oc$pa solo al llenar el tan,$e. *l tan,$e en $n
7 parte de esto' también se sabe ,$e4 c p T = h [ kJ / kg ] ⋅
inicio /a est" lleno.
W entrada =W salida=0
( 8)
(4 )
c v ⋅ T = u [ kJ / kg ]
( 9) :. No in!resa masa de aire al sistema' por conservación de masa4
mentrada =0 ⟹ msalida =m1−m 2
( 5)
*c$aciones en las c$ales
cv De esta manera la ec$ación
( 1)
,$eda de la -orma4
h salida ( m1−m2 )=m1 ∙ u1− m2 ∙u 2
/
son el calor especí-ico a presión /
vol$men constante' respectivamente. Para el caso del -l$ido en est$dio 0aire1 estos
(6)
75ora bien' considerando el aire como $n !as ideal' este c$mple la ec$ación de !as ideal4
c p
corresponden
a
c v =0,718 [ kJ / kg ] .
c p=1,005 [ kJ / kg ]
y
;ecordando ,$e para esta e+periencia' la
temperat$ra
-inal
corresponde
a
ig'ra 1. La termoc$pla T1 se -i3o en $n
la
e+tremo a la salida del aire de -orma ,$e
temperat$ra de salida del aire desde el
,$edase en contacto con el c5orro de aire ,$e
(8)
compresor' / aplicando las ec$aciones /
( 9)
sale del compresor / en el otro a $n tester ,$e re!istraba la temperat$ra. La termoc$pla T2
' -inalmente el balance de ener!ía
se -i3o a la pared e+terior del tan,$e / a otro tester para re!istrar la temperat$ra.
,$eda e+presado como4
c p ⋅ T salida ( m1−m2 )=c v ⋅ ( m1 ∙ T 1−m 2 ∙ T salida )
( 10 )
*c$ación
,$e
modela
el
comportamiento del -enómeno en est$dio.
$lustración 1: Es%uema de instalación de las termocuplas T1 & T2 en el estan%ue de aire comprimido. 'a (ec"a indica la dirección de salida del (u)o de aire.
Para medir la presión se $tili2ó el
2 Procedimiento #-*erimental
manómetro ,$e posee el compresor del
7ntes de comen2ar la e+periencia' se re!istraron las condiciones ambientales a partir
de $n termómetro
ambiental'
$n
barómetro $n 5idrómetro. Los datos obtenidos
laboratorio' este 6ltimo de marca c'l3 modelo de
CSA 6,5 / 30
29 [ ¿ ]
' ,$e tiene $n vol$men
/ $na capacidad nominal de
se presentan en la Tabla 1. 120 [ lb ]
Presión 7tmos-érica Temperat$ra 7mbiente ?$medad ;elativa
%)() C= @( A
Tabla 1: Condiciones ambientales antes de comenzar la experiencia. El termómetro utilizado tiene una resolución de ± 1[°C]; la resolución del barómetro es de ± 2 [mbar]. or ultimo! el "idrómetro tiene una resolución ± 2 #.
Para el e+perimento se $tili2aron dos termoc$plas tipo
K
conectadas a $n tester
7l
¯ ¿
B
8.3 ¿
inicio
de presión manométrica. de
la
compresor se encontraba a
e+periencia' 10 5 [ psi ]
el
con la
v"lv$la completamente cerrada. Una ve2 obtenidos los re!istros ambientales / la temperat$ra e+terior del tan,$e / de la salida de aire se procedió a abrir la v"lv$la / descar!ar por completo el compresor. Se
marca #.T#)/ modelo
421305 / 7
para
re!istrar la temperat$ra. Las termoc$plas se -i3aron en el compresor como se m$estra en la
re!istró la temperat$ra m"s ba3a obtenida en la salida del aire.
4 Res'ltados 5btenidos Para
el
L$e!o' aplicando la ec$ación
procedimiento
e+plicado
anterior mente se obt$vieron las si!$ientes
( 10 )
se calc$la el valor teórico de la temperat$ra de salida del aire4
temperat$ras4 T i [ K ] 0,1 [ K ] Pared *stan,$e Salida De 7ire
T salidate#ric$ =215,249 [ K ]
T ! [ K ] 0,1 [ K ]
(&' (&'%
(&.) (%.%
Tabla 2: Temperaturas re*istradas por las termocuplas trans+ormadas de [°C] a [,] a partir de [ K ] =[ " C ] + 273 .
Valor temperat$ra
P! [ kPa ]
34,5 [ kPa ]
34,5 [ kPa ]
(@
%)(
*stan,$e
pr"ctica
|T te#ric$ −T pr&cti ca|
% =
obtenida
en
el
⋅
T te#ric$
100
( 11) *ntre!a $n error de4 % = 1,24
Tabla -: resiones absolutas [psi] a [a] por medio de
compararlo con la
laboratorio por medio de la ec$ación4
las si!$ientes presiones manométricas4
Pi [ kPa ]
,$e al
1 [ psi ] =6,89 [ kPa ]
( 2) 7dem"s' se sabe ,$e el vol$men inicial es i!$al al vol$men -inal /a ,$e éste
#tro error obtenido es la temperat$ra
corresponde al vol$men del compresor' el
-inal del estan,$e' la c$al se debería ser i!$al
c$al es de
29 [ ¿ ]
a
' es decir4
inicial
p$es
se
as$mió
$n
sistema
adiab"tico' sin embar!o e+iste $n di-erencias
V i=V ! =29 [ ¿ ] = 0,029 [ m
3
]
de temperat$ra ,$e al aplicar la ec$ación
( 11) Por lo tanto' a partir de los datos obtenidos / la ec$ación
( 7)
se calc$la la
masa en el estado inicial / -inal del sistema4
m1=0,29 [ kg ]
entre!a $n error de4
% = 5,41
6 (nálisis y )oncl'siones De los res$ltados ad,$iridos en el laboratorio' se obt$vieron dos errores' de los
m2=
10,3
T salida
[ kg ]
c$ales se as$me ,$e e+isten di-erentes -$entes de error ,$e no -$eron consideraros al
momento de modelar / replicar el -enómeno en est$dio.
7 contin$ación se presentan im"!enes de los e,$ipos $tili2ados en el -enómeno
*n primer l$!ar' la temperat$ra ,$e
est$diado4
mide la termoc$pla T1 no es instant"nea' debido a esto la temperat$ra medida no es la ,$e se tiene en el instante preciso en ,$e el !as abandona el sistema' en otras palabras' c$ando el !as entra en contacto con la atmos-era es inevitable ,$e a$mente s$ temperat$ra. *sto e+plicaría el error
(1)
.
Por otra parte' se as$mió $n sistema adiab"tico' el c$al en la realidad es imposible replicar en $n %))A / a$n,$e el sistema est" aislado
e+iste'
a$n,$e
es
mínima'
la
trans-erencia de calor entre el sistema / s$ alrededor' / a s$ ve2 entre la v"lv$la de escape / el estan,$e. De esto se obtiene el error
( 2)
$lustración 2: Compresor /c"ulz modelo C/0 !3-4! 5olumen de 26 [lt]! presión m7xima 124 [lb]3 8!- [bar]! caudal teórico de
198
[lt3min]!
tensión
224
[]
mono+7sico! potencia 1!1 []! corriente de motor 9!9 [0]! dimensiones 44 x 94 x -4 [mm].
.
Por lo tanto' de lo reali2ado en el laboratorio
se
p$ede
concl$ir
,$e
las
consideraciones tomadas para reali2ar la e+periencia son v"lidas para el est$dio del balance de ener!ía' esto ,$eda demostrado en ,$e pese a ,$e no corresponde a $n e+perimento ideal' los errores obtenidos son
$lustración -: manómetro incorporado en el compresor! resolución ± [psi].
menores al %)A' e incl$so el error
( 1)
respecto a la temperat$ra est$diada es m$c5o menor al @A.
7 ota $lustración 9: < & C Termocuplas! 0 Tester di*ital. Especi=caciones t>cnicas del
tester: ?an*o temperatura: @4 a 1-44AC!
[1] Cengel Y., Boles M., Termodinámica,
@8 a 2444AB! resolución: 4!1AC o 1B! dimensiones: !x-!4x1!D! peso: 19!2 [oz].
Mc Graw Hill, 6ª edición, !!". [] #c$%l& Com'resor, man%al
de
Referencias+
ins(r%cciones. [)] *+T*CH Tes(er,
de
ins(r%cciones.
man%al
