Termo

tTERMODIN´MICA A Profesor: Javier Garc´ del Valle ıa ´ Departamento de Construcciones Navales, Area de M´quinas y Motores T´rmicos a e

Pr´ctica No1 a An´lisis te´rico/experimental del proceso de a o llenado/vaciado de una botella a presi´n o
1. Objetivos

a. Encontrar la relaci´n entre la presi´n y el volumen para la expansi´n del aire en un recipo o o iente a presi´n. o b. Encontrar larelaci´n entre energ´ interna y entalp´ de entrada en el proceso de llenado o ıa ıa de una botella. c. Calcular el gasto m´sico a trav´s de una tobera bloqueada para el proceso de descarga. a e

2.

Introducci´n o

La expansi´n o la compresi´n de un sistema cerrado formado por un gas puede ser descrita por o o la relaci´n politr´pica pv n = c, donde p es presi´n, v es volumen espec´ o o o ıfico,c es una constante y n el exponente politr´pico que depende del proceso termodin´mico. En este experimento, el aire o a comprimido en un recipiente de acero a presi´n se descarga a la atm´sfera, mientras el aire que o o queda dentro (que se puede considerar como un sistema cerrado) se expande. Se registran las medidas de temperatura y presi´n del aire dentro del recipiente. Estas dos medidas seusan para o obtener el exponente politr´pico n para el proceso de expansi´n. Adem´s el gasto m´sico de la o o a a botella para el proceso de descarga se puede calcular de dos formas, bien por la aplicaci´n de la o conservaci´n de la masa al recipiente o por la f´rmula de una tobera bloqueada (el estudio de o o flujo compresible demuestra que la m´xima velocidad que se puede alcanzar en una gargantaes a Mach=1, en este caso se dice que la garganta est´ bloqueada). Se comparar´n ambos resultados. a a El llenado de botellas es otro proceso termodin´mico de inter´s t´cnico. A diferencia del proceso a e e de vaciado va a existir mezcla entre el aire que entra y el que est´ en la botella, lo que obliga a a recurrir a las ecuaciones de conservaci´n de masa y energ´ para sistemas abiertos. Veremosel o ıa desarrollo te´rico de este proceso y lo compararemos con datos experimentales. o

3.

Montaje experimental

En la figura 1 podemos observar el montaje experimental de la pr´ctica. El sistema de adquisici´n a o de datos es un Iotech Personal Daq/55 El transductor de presi´n con salida 4-20 mA 1 se alimenta o con una fuente de tensi´n de 18V, midiendo la ca´ de tensi´n en unaresistencia de 100 Ω. El o ıda o recipiente tiene un volumen de 26.1 L.
1 La

P resi´n[P a] = o

curva de calibraci´n del transductor, transformada a voltaje es la siguiente: o V − 0,4028 618000 + 101325 1,4026 − 0,4028

1

Figura 1: Montaje experimental 1) Manguera de entrada. 2) V´lvula entrada. a 3) V´lvula salida con tobera de Ø2 mm. a 4) V´lvula salida con tobera de Ø4mm. a 5) V´lvula salidacon tobera de Ø6 mm. a 6) Transductor de presi´n 0-150 psi, 4-20 mA. o 7) Termopar tipo J, 0.1 mm. 8) Man´metro 0-10 bar. o 9) V´lvula de seguridad 10 bar. a 10) Purga.

4.

Desarrollo del experimento

El desarrollo pr´ctico consiste en realizar tres ciclos de carga/descarga a trav´s de las toberas a e de 2, 4 y 6 mm de di´metro. Para ello, antes de empezar a medir, comprobar que tanto el atermopar como el transductor de presi´n miden correctamente. Para cada ciclo, con la botella o vac´ pulsar el bot´n de inicio de adquisici´n de datos. Abrir la v´lvula de entrada r´pidamente, ıa, o o a a esperar hasta que la presi´n se estabilice, cerrar la v´lvula e interrumpir la adquisici´n de datos. o a o Poner de nuevo en marcha el sistema de adquisici´n, abrir la v´lvula de descargacorrespondiente o a (2, 4 ´ 6 mm de di´metro) y esperar hasta que la presi´n se iguale con la ambiental. Cerrar la o a o v´lvula e interrumpir la adquisici´n de datos. a o

5.

An´lisis te´rico a o

Se desarrolla a continuaci´n el modelo termodin´mico tanto para el llenado como para el o a vaciado.

5.1.

An´lisis del vaciado de la botella a

Identificaci´n del volumen de control y hip´tesis...