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UNIVERSIDAD MAYOR REAL Y PONTIFICIA DE SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA FACULTAD DE TECNOLOGÍA

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA TEMA:

“Balance de Energía en Sistemas Cerrados”

PRACTICO:

2

DOCENTE:

Virgilio Oporto

GRUPO:

Miércoles 14-16 B (Nuevos)

UNIVERSITARIOS: Espada Tirado Ronald Richard Huerta Arandia Christian Daniel CARRERA: CARRERA: CARRERA: CARRERA: SUCRE – BOLIVIA 2016

CARRERA: Ing. Petróleo y Gas Natural CARRERA: Ing. Petróleo y Gas Natural

Práctica No 2 Balance de Energía en sistemas Cerrados 1. Introducción.En esta práctica verificaremos el balance de energía de cilindro con un compresor conectado a un tanque, determinando experimentalmente su masa final. Colocando en práctica los conceptos y conocimiento de un balance de tanto de materia como de energía y demostrando que tanto se aproxima a los valores reales.

2. Objetivo de la práctica.1. Determinar las propiedades iniciales y finales del sistema. 2. Aplicar el balance de Materia y Energía a un Sistema Compresor_Cilindro-Tanque 3. Determinar la masa de aire que ingresa al Tanque rígido por tres métodos.   

La Ley del Gas Ideal El Principio de Estados Correspondientes Ecuación de Soave-Redlich-Kwong

4. Hallar el error incurrido con el valor experimental 5. Calcular la transferencia de calor en el Sistema. 6. Graficar los Perfiles Temperatura y Presión versus tiempo del Cilindro y Temperatura y Presión versus tiempo del Tanque.

3. Fundamento teórico.Balance de energía De acuerdo con el análisis anterior, el principio de conservación de la energía se expresa como: el cambio neto (aumento o disminución) de la energía total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energía total que entra y la energía total que sale del sistema durante el proceso. Es decir,

Esta relación es más conocida como balance de energía y es aplicable a cualquier tipo de sistema que experimenta cualquier clase de proceso. El uso exitoso de esta relación para resolver problemas de ingeniería depende de la comprensión de las distintas formas de energía y de reconocer los modos como ésta se transfiere.

Incremento de la energía de un sistema, Esistema Para determinar el cambio de energía de un sistema durante un proceso se requiere evaluar la energía del sistema al principio y al final del proceso y encontrar su diferencia. Es decir, Incremento de la energía = Energía en el estado final Energía en el estado inicial

Observe que la energía es una propiedad y el valor de una propiedad no cambia a menos que cambie el estado del sistema. Por lo tanto, el cambio de energía de un sistema es cero si el estado no se modifica durante el proceso. También, es posible que exista energía en numerosas formas: interna (energía cinética de las moléculas, latente, química y nuclear), cinética, potencial, eléctrica y magnética, por lo que la suma de ellas constituye la energía total E de un sistema. En ausencia de efectos eléctricos, magnéticos y de tensión superficial (para sistemas simples compresibles), el cambio en la energía total del sistema durante un proceso es la suma de los cambios en sus energías interna, cinética y potencial, lo cual se expresa como: (2-33) Donde

Cuando se especifican los estados iniciales y final, los valores de las energías internas específicas u1 y u2 se determinan directamente de las tablas de propiedades o de las relaciones de propiedades termodinámicas. La mayor parte de los sistemas encontrados en la práctica son estacionarios, es decir, no tienen que ver con cambios en su velocidad o elevación durante un proceso. Así, para sistemas estacionarios, los cambios en las energías cinética y potencial son cero (es decir, EC = EP = 0), y la relación del cambio de energía total en la ecuación 2-33 se reduce a E= U para tales sistemas. También, la energía de un sistema durante un proceso cambiará incluso si únicamente una forma de su energía cambia mientras que las otras permanecen sin alteración.

Mecanismos de transferencia de energía, Eentrada y Esalida La energía se puede transferir hacia o desde un sistema en tres formas: calor, trabajo y flujo másico. Las interacciones de energía se reconocen en las fronteras del sistema cuando lo cruzan, y representan la energía que gana o pierde un sistema durante un proceso. Las únicas dos formas de interacción de la energía relacionadas con una masa fija o sistema cerrado son las transferencias de calor y de trabajo.

1. Transferencia de calor, Q La transferencia de calor hacia un sistema (ganancia de calor) incrementa la energía de las moléculas y por lo tanto la del sistema; asimismo, la transferencia de calor desde un sistema (pérdida de calor) la disminuye, ya que la energía transferida como calor viene de la energía de las moléculas del sistema.

2. Transferencia de trabajo, W Una interacción de energía que no es causada por una diferencia de temperatura entre un sistema y el exterior es trabajo. Un émbolo ascendente, un eje rotatorio y un alambre eléctrico que cruzan la frontera del sistema se relacionan con interacciones de trabajo. La transferencia de trabajo a un sistema (es decir, el trabajo realizado sobre un sistema) incrementa la energía de éste, mientras que la transferencia de trabajo desde un sistema (es decir, el trabajo realizado por el sistema) la disminuye, puesto que la energía transferida como trabajo viene de la energía contenida en el sistema. Los motores de auto- móviles y las turbinas hidráulicas, de vapor o de gas, producen trabajo mientras que los compresores, las bombas y los mezcladores consumen trabajo.

3. Flujo másico, m El flujo másico que entra y sale del sistema funciona como un mecanismo adicional de transferencia de energía. Cuando entra masa a un sistema, la energía de éste aumenta debido a que la masa lleva consigo energía (de hecho, la masa es energía). De igual modo, cuando una cantidad de masa sale del sistema, la energía de éste disminuye por- que la masa que sale saca algo de energía consigo. Por ejemplo, cuando cierta cantidad de agua caliente sale de un calentador y es reemplazada por agua fría en la misma cantidad, el contenido de energía del tanque de agua caliente (el volumen de control) disminuye como resultado de esta interacción de masa. Como la energía puede ser transferida en las formas de calor, trabajo y masa, y su transferencia neta es igual a la diferencia entre las cantidades transferidas hacia dentro y hacia fuera, el balance de energía se expresa de modo más explícito como:

Donde los subíndices “entrada” y “salida” denotan cantidades que entran y salen del sistema, respectivamente. Los seis valores del lado derecho de la ecuación representan “cantidades” y, por lo tanto, son medidas positivas. La dirección de cualquier transferencia de energía se describe por los subíndices “entrada” y “salida”. La transferencia de calor Q es cero para sistemas adiabáticos, la transferencia de trabajo W es cero para sistemas en los que no intervienen interacciones de trabajo, y el transporte de energía con Emasa es cero para sistemas sin flujo másico a través de su frontera (es decir, sistemas cerrados).

4. Material usado y Equipo.-

Un Tanque de 28 lt. Un Cilindro de 50 lt. Un compresor. Termocupla. Una balanza digital Un cronometro. Celulares.

Procedimiento de la Practica. Se hace una revisión de las conexiones cuidando que no estén pasmadas o malogradas. Revisar que no haya aire remanente en el Tanque y/o purgarlo hasta la presión atmosférica.  Abrir la llave del Tanque hacia la manguera. Cerrar la llave del cilindro del compresor hacia la manguera.  Realizar la medida de la masa del Tanque.  Se enciende el compresor a objeto de que introduzca aire comprimido a su cilindro con gas proveniente del medio ambiente hasta que se apague por sí solo. De otro modo apagar el proceso de compresión alrededor de los 115 Psig.  Se abre la llave del cilindro del compresor hacia la manguera suavemente.  Se procede a realizar lecturas rápidas cada 10 segundos y construir una tabla de datos similar a los siguiente: La PCI de su manómetro. La PTK de su manómetro. La TCilindro. La Ttanque con el Termocupla  Realizar otra lectura de la masa del Tanque.

5. Datos Experimentales.-

1 2 3 4 5 6 7 8

Tiempo (min) 0 10 20 30 40 50 60 70 Promedio

TABLA DE VALORES RECOGIDOS EN LABORATORIO PCilindro TCilindro PTK TTK (psig) (oC) (psig) (oC) 108 30 0 22.0 105 28 4 22.1 102 28 19 22.2 96 28 24 22.3 91 28 32 22.4 87 26 40 22.6 79 24 52 22.8 70 24 70 23.0 30.125 22.3875

6. Cálculos, Gráficas. Calculo de la maire por Gas Ideal maire=? PM=28.97Kg/kmol VTK=28lt=0.028m3 PV=nRT 𝑚 Pprom.TK =30.125 + 14.7 n= 𝑃𝑀

=44.825psi=3,05atm

Tprom.TK=22.3875°C=295.54K

m=

𝑃𝑝𝑟𝑜𝑚.𝑡𝑘∗𝑉𝑡𝑘∗𝑃𝑀

m=

𝑅∗𝑇 3.05𝑎𝑡𝑚∗0.028𝑚3∗28.97𝐾𝑔/𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑡𝑚∗𝑚3

0.082055 ∗295.54𝑘 𝑘𝑚𝑜𝑙∗𝐾 m=0.102Kg

 Calculo de la maire por P.E.C maire=? PM=28.97Kg/kmol VTK=28lt=0.028m3 Pprom.TK =30.125 + 14.7 =44.825psi=3,05atm

Tprom.TK=22.3875°C=295.54K Tcritica=132.5K Pcritica=3770kpa

PV=ZnRT 𝑚 n= 𝑃𝑀

m=

𝑃𝑝𝑟𝑜𝑚.𝑡𝑘∗𝑉𝑡𝑘∗𝑃𝑀

m=

𝑍∗𝑅∗𝑇 3.05𝑎𝑡𝑚∗0.028𝑚3∗28.97𝐾𝑔/𝐾𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑡𝑚∗𝑚3

0.998∗0.082055 𝑘𝑚𝑜𝑙∗𝐾 ∗295.54𝑘

m=0.102Kg

 Calculo de la maire por Ecuación de Soave-Redlich-kwong

maire=? PM=28.97Kg/kmol VTK=28lt=0.028m3 Pprom.TK =30.125 + 14.7 =44.825psi=3,05atm Tprom.TK=22.3875°C=295.54K Tcritica=132.5K Pcritica=3770kpa

Graficas

Escriba aquí la ecuación.

7. Graficas.-

120 100 113

Presion (Psi)

102 80

98 95

90.5

85.5 76 73 68 67 68 62 52

60 40 20

28

34

Pci(Psi) Ptk(Psi)

40

20 0

10 0

20

40

60

tiempo (seg)

80

100

Tiempo(seg) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Pci(Psi) 115 102 98 95 90.5 85.5 76 73 67 68

Ptk(Psi) 0 10 20 28 34 40 52 62 68 68

5

30

30

28

28

28

28

22

22.1

22.2

22.3

22.4

Temperatura (oC)

25

26

24

24

22.6 22.8

23

20 15 10 5 0 0

20

40

60

80

tiempo (seg)

Tiempo(seg) Tci(oC) 0 30

TTK(oC) 22.0

10

28

22.1

20

28

22.2

30

28

22.3

40

28

22.4

50

26

22.6

60

24

22.8

70

24

23

1. Abrir la llave de paso y tomar lectura cada 10 segundos de lo sgt: La PCI de su manómetro. La TCilindro.

La PTK de su manómetro. La Ttanque con el Termocupla.

100