Laboratorio de Primera y Segunda Ley de La Termodinámica

FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

Laboratorio 3 Termodinámica.

Cáte Cátedr dra: a: Term Termod odiinám námica ica  Alumno: Favio Rojas. Carr Carrer era: a: Inge Ingeni nier ería ía Mecá Mecáni nica ca..

Curicó, 03 de Julio 2014.

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Índice 1. Resumen. ..........................................................................................3 2. Objetivos del Laboratorio. ..................................................................3 3. Planteamiento. ...................................................................................4 3.1. Descripción de la modelación matemática básica. .........................4 3.2. Descripción física de los equipos y método experimental. .............6 3.2. Datos extraídos y calculados. .........................................................8 4. Discusión y análisis. ..........................................................................9 5. Conclusiones. ....................................................................................9 6. Bibliografía.......................................................................................10 7. Anexos.............................................................................................10

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1. Resumen. En este laboratorio se estudiará y observará la trasferencia de energía entre dos fluidos, uno caliente y otro frío, los cuales circularán en el interior de un sistema de tuberías. Estos líquidos circularán por ductos independientes, sin mezclarse, sin embargo, se producirá una diferencia de temperatura entre los fluidos por lo que existirá una transferencia de energía desde el liquido caliente al liquido más frío. La convección es una forma de trasporte de calor entre dos cuerpos que no tienen contacto directo, pero que están unidos de alguna manera, normalmente este tipo de transferencia de energía sucede entre una superficie sólida y un liquido o gas que está en movimiento, lo cual concuerda con el caso de esta experiencia de laboratorio. Otro motivo de estudio será determinar la irreversibilidad del sistema. Para lograr lo anterior se aplicaran las leyes de la termodinámica para hacer los cálculos necesarios, para la realización de laboratorio se ocupara una maquina de transferencia de calor por tubos concéntricos llamada Gunt Hamburg (WL 300). Y se extraerán los datos de los diferentes termómetros que ubicados en distintas posiciones a lo largo de las tuberías. .

2. Objetivos del Laboratorio. 

Aplicar y comprender de forma práctica, las Leyes de la Termodinámica aplicadas a un flujo estable.

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Comprobar si se cumple la ecuación de energía para el sistema.

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Aprender y entender el funcionamiento de la máquina de transferencia de calor Wl 300.

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Analizar los datos obtenidos y describir el cumplimiento o no de las Leyes de la Termodinámica.

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3. Planteamiento. En la experiencia, se constará de dos partes: 1° parte: se hace circular ambos flujos de agua a favor de la corriente, en donde, la transferencia de calor de realizará en el mismo sentido y dirección. 2° parte: se hace circular ambos flujos a contracorriente y luego se comparan los resultados

obtenidos entre las dos partes del laboratorio.

3.1. Descripción de la modelación matemática básica. El modelo matemático se modelará en Microsoft Excel con los datos obtenidos de la experiencia de laboratorio. Lo primero que se hace es establecer un volumen de control (Vc) y aplicar la ecuación de continuidad que dice que la sumatoria de las masas que entra es igual a la que sale, no hay mezcla de masas. Ecuación de Continuidad: Σ me = Σ ms

Mc = masa del fluido caliente. Mf = masa del fluido frío. e= Entra s=Sale Mc1 + Mf1 = Mc2 + Mf2

Como las masas son iguales no se consideran.

Ecuación de Energía:

1Q2 + 1W2 + Σ me (he + Ve²/2 + g*Ze) = Σ ms (hs + Vs²/2 + g*Zs)

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Como dentro del volumen de control no existe algún tipo de máquina o elemento mecánico que altere las condiciones del proceso, ya que la bomba de agua se encuentra fuera del sistema determinado, por lo que W es cero. Por otro lado la posición de entrada con la de salida son más o menos iguales por lo tanto no se consideran la diferencias de cotas. No hay intercambio de calor con el entorno por que el sistema es un sistema , aislado en al menos desde mi punto de vista. sI velocidades son mínimas, estas no serán consideradas por lo que tampoco se. quedando finalmente: Mce*hce + Mfe*hfe = Mcs*hcs + Mfs*hfs

Mc*(hc1 – hc2) = Mf (hf2 – hf1)

(A): ρc x Vc x Cp x (Tc1 – Tc2) = (B) :  ρf x Vf x Cp x (Tf2 – Tf1)  A=B

Donde: Mc: La masa es la densidad por el volumen del fluido caliente ρc x Vc Mf: La masa es la densidad por el volumen del fluido frío ρf x Vf Δh: La variación de entalpía es la variación de temperatura por el calor específico Δh: ΔT x Cp

Lo que se pretende es ver si A=B si no es así quiere decir que hay alguna perdida o inversión de energía conocida como irreversibilidad I

 A+ I =B Los valores Cp, ρc se obtienen por tablas y si no se encuentra se interpola, además estos son valores medios que se obtienen con las temperaturas Para obtener el volumen hay que multiplicar el volumen ya sea del caudal frio o caliente que se da por el porcentaje fijado: Vc o Vf: % fijado * Volumen de caudal

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De la ecuación que indica el intercambio de energía al ordenarla queda al final entre paréntesis la media logarítmica de temperatura MLDT , el cual tiene mayor diferencia indica cual es más eficaz. MLDT : Δt2 - Δt1

Ln (Δt2 / Δt1) Δt2: T1-t2 Δt1: T2-t1

Δt2: T1- t1 Δt1: T2- t2

Contracorriente

Caudal continúo

3.2. Descripción física de los equipos y método experimental. Para el desarrollo de este laboratorio, se utiliza un Banco de ensayos Intercambiador de Calor GuntHamburgwl 300 con especificaciones:

1 2 3 4 5 6 7

- Puesto móvil para ensayos con un intercambiador térmico de tubo - Largo x Ancho x Alto 1385x550x1850mm, 110kg - Procesamiento de los datos de medición en PC - Circuito de agua caliente cerrado, aislado - Bomba Cmáx. 4200Ltr/h, altura de elevación 4.5m - Calefacción 2kW - Termostato 0..80°C -6-

8 9 10 11 12

- Tubos de cobre - Medición de temperatura mediante elementos PTC -40...150°C - Determinación del caudal mediante sensores de rueda de aletas 0..200Ltr/h - Depósito 28Ltr - 230V,~ 50Hz

a) b) c) d) e) f) g)

Bomba: Cmáx.: 4200Ltr/h, altura de elevación: 4.5m Consumo de potencia: 150W Calefacción: 2kW Termostato: 0…80°C Medición de temperatura: -40...150°C Medición del caudal: 0..200Ltr/h Superficie de intercambio térmico: Parte caliente: 0,0306m² Parte fría: 0,0402m²

En la siguiente ilustración se muestra el esquema de flujo para servicio de caudal con los puntos de medición para temperatura y caudal de paso:

Método experimental.

1. Lo primero es conectar la entrada y salida del agua fría a la red. 2. Lo segundo que se hace es ubicar a un PLC humano que deberá mantener el agua de baja temperatura en el porcentaje fijado ya que la red de agua funciona con un hidropac por eso no hay una altura constante y se necesita un PLC humano. 3. Luego se comprueba que el depósito de agua caliente está suficientemente lleno, para los niveles de caudal que precisamos en la práctica. 4. Seleccionamos la disposición a utilizar de Caudal continuo o Contracorriente 5. Regularemos los caudales de agua caliente y de agua fría mediante las válvulas correspondientes. 6. El interruptor de calefacción ha de estar activado para que el agua se caliente. 7. Fijaremos el valor de consigna de temperatura en el depósito de agua caliente, para ello se utilizaran los botones del controlador de temperatura. -7-

8. Se disponen a los operarios en sus posiciones para tomar las lecturas de temperatura y caudal. 9. Se pone en funcionamiento es sistema y se esperan unos minutos antes de tomar la lectura de temperatura y caudal. 10. Finalmente se tabula y grafica.

3.2. Datos extraídos y calculados. Instrumentos.

En este laboratorio de tuvieron a disposición los siguientes instrumentos: - Un intercambiador de calor Gunt Hamburg wl 300 compuesto por: - Calefactor con termostato - Tomas de agua - Válvula control de agua fría - Termómetros - Grifos de bola - Interruptores de paro de emergencia - Flujómetro flotador - Válvula de purga - Bomba - Deposito

- mangueras (serán conectadas a la red de agua potable) Tabla N°1: Tabla de datos calculados. Qc Qf

100 100

Medición

T1 1 2

Qcal

236 l/hr 420 l/hr

T2 57 58

T3 50 46

T4 45,5 39

T5 17 17

T6 24,5 22,5

30 25

Qfrio 84,5 48

70 cocorriente 89 cocorriente

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4. Discusión y análisis. Una de las cosas a las cuales apunta la ley cero de la termodinámica es al hecho de que si dos cuerpos están en equilibrio térmico con un tercero, los tres están en equilibrio entre sí, por otro lado, en caso de que no lo estuviesen llegarán de igual manera a este equilibrio transcurrido un determinado tiempo. Esto se clarifica a lo largo del recorrido en donde ambos fluidos tienden a estabilizarse en una misma temperatura. Por lo tanto si al finalizar el ensayo la temperatura no alcanza el equilibrio térmico, podremos decir que el sistema tiene alguna perdida de calor hacia el exterior por lo cual, no se logra llegar a una igualdad de temperatura entre los dos fluidos. Otro punto importante de mencionar es la manera en la cual el sistema traspasa calor, este fenómeno se produce desde el flujo de líquido de mayor temperatura hacia el de menor temperatura, lo que se en otras palabras diría que el sistema caliente disminuye su temperatura y el frío la aumenta pero no hay intercambio desde el flujo frío hacia el caliente, demostrando así, la irreversibilidad del sistema y el cumplimiento de la segunda ley de la termodinámica en el ensayo intercambiador de calor.

5. Conclusiones. Uno de los puntos a nombrar, y que a nuestro parecer es una de las cosas más importante es el hecho de no poder llegar a un equilibrio de temperaturas, lo que se refleja debido a que la temperaturas del agua fría no alcanzó a equilibrarse térmicamente con la del agua caliente, existiendo entre ellas una diferencia en la que la temperatura mayor siempre fue el flujo de agua caliente. Todo lo anterior se debe a que nunca existió una transferencia total de calor, podemos concluir que no estuvimos frente a un sistema ideal carente de pérdidas, las cuales sin duda podremos determinar.

Demostrada la segunda ley de la termodinámica, en base a lo expuesto en el párrafo anterior, concluiremos que la dirección de la transferencia de calor siempre ocurrió en una sola dirección, la cual fue desde el flujo de temperatura más alta al de temperatura más baja. quedando manifiesta de esta forma la irreversibilidad del sistema, cumpliéndose en efecto lo que nos plantea la segunda ley de la termodinámica, que la transferencia de energía es unidireccional.

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6. Bibliografía. 

Termodinámica, Tomo 1 segunda edición. Yunus A. Cengel, Michael A. Boles.Editorial Mc. Graw Hill.

7. Anexos. Temperatura: La conocemos como una medida de lo caliente o lo frío y de manera precisa, es una

medida de la energía cinética molecular interna media de un objeto o sustancia. Equilibrio Térmico o Ley cero: establece que si dos cuerpos se encuentran en equilibrio térmico

con un tercer cuerpo, están en equilibrio térmico entre sí. Calor: El calor se define como la forma de energía que se transfiere entre dos sistemas(o un

sistema y sus alrededores) debido a una diferencia de temperatura. Una interacción de energía es calor solo si ocurre debido a una diferencia de temperatura. De ello se deduce que no hay ninguna transferencia de calor entre dos sistemas que se encuentran a la misma temperatura. Esta última deducción clarifica el logro del el “Equilibrio Térmico”. Primera Ley de la Termodinámica: la primera ley de la termodinámica plantea el principio de la

conservación de la energía. Afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, por lo que la cantidad de energía transferida a un sistema en forma de calor más la cantidad de energía en forma de trabajo será igual al aumento de la energía interna del sistema. También define al calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar la diferencia entre el trabajo y la energía interna de este. Segunda Ley de la Termodinámica:  esta ley es la encargada de regular la dirección en la que se

llevan a cabo los procesos termodinámicos. Dicha dirección siempre es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a l os de temperatura más baja. También establece en algunos casos, la imposibilidad de convertir completamente toda la energía de un tipo en otra sin perdidas. De este modo la segunda ley impone restricciones para la transferencia de energía que pueden llevarse a cabo teniendo en cuenta solo la primera ley de la termodinámica.

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