FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN

Tabla de toma de lecturasDescripción Referenci Unida Lectura

INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE MÁQUINAS TÉRMICAS

Práctica no. 6: “Motor de vapor”

Alumno: David Ricardo Fernández Cano V.

Fecha de realización:

Fecha de entrega:

a d

Presión

Atmosférica del lugar PA bar 0.8Manométrica de la caldera P1 bar 3.2

Manométrica de la válvula de control P2 bar 200

Flujo de masa

Vapor (condensado) mv kg/s 0.00167Agua de enfriamiento mw kg/s 0.0333

Temperatura

Vapor de la caldera T 1 °C 140Vapor en el calorímetro T 2 °C 100

Condensado T 3 °C 72Agua de enfriamiento a la entrada del condensador T e °C 24Agua de enfriamiento a la salida del condensador T s °C 61

Otros

Velocidad del motor n rpm 2000Consumo de energía (potencia eléctrica suministrada a la caldera) x W ×h 30

Tiempo del experimento t s 20

Desarrollo de la práctica

Potencia al freno

W 1=.0059 (6 N ) (200 rpm )=71.4W

Energía suministrada en la caldera

x=(30hW ) (3600 s /1h )=10800Ws

Q1=10800 sW /20=5400W

Eficiencia térmica total en la planta

H v=4.186 kJ / (°Ckg ) 140 °C=586.04 kJ /kg

H 3=4.186 kJ / (°Ckg ) 72°C=301.3924 kJ /kg

ηT=71.4W /( 5400W+.00167 kg/ s (586.04−301.392 )kJ /kg )=.0132 %

Eficiencia de la caldera

H1 de tablas de vapor sobrecalentado @ T 2=100 °C; PA=.70 ¿̄⇒ H 1=2678.754 kJ / kg

ηc=.00167 kg/ s (2678.754−586.04 ) kJ /kg/5400W=647.2×10−6 %

Eficiencia isoentrópica del motor

Del diagrama T-S se tiene H 2=2400kJ /kg

Nm=71.4W / (.00167 kg /s (2678.754−2400 ) kJ /kg )=153.377 %

De las tablas de saturación de vapor @ P1=4 ¿̄;

H l1=604.67 kJ /kg

H lg 1=2132.956 kJ /kg

x1=(2678.754−604.67 ) kJ /kg /2132.956 kJ /kg=.9724

De tablas de saturación de vapor @ P1=4 ¿̄

Sl1=1.7764 kJ / (° Kkg )

Slg 1=5.11793kJ / (° Kkg )

S1=(1.7764+.9724 (5.11793 ))kJ / (° Kkg )=6.7531 kJ /(° Kkg )

De tablas de saturación de vapor @ PA=.8 ¿̄;

Sl2=1.23301 kJ / (° Kkg )

Slg 2=6.20217 kJ / (° Kkg )

x2=(6.7531−1.23301 ) kJ /kg /6.20217 kJ /kg=.89

H l2=391.723 kJ /kg

H lg 2=2274.05 kJ /kg

H 2=(391.723+ .89 (2274.05 )kJ /kg )=2415.6744 kJ /kg

Calor perdido en el sistema en la caldera

Con la bomba:

H 0=4.186 kJ / (°Ckg ) 72° C=301.3924 kJ /kg

Q2=5400W+.00167 kg /s (301.3924−2678.754 ) kJ /kg=5396.0298 kJ /kg

Sin bomba:

Q2=5400W+.00167 kg /s (586.04−2678.754 ) kJ /kg=5396.5052 kJ /kg

En el motor de vapor

Q3=.00167 kg/s (2678.754−2415.6744 ) kJ /kg−71.4W=−70.9607W

En el condensador

Q5=.0333 kg /s ( 4.186 kJ / (kg°C ) ) (61−24 ) °C=5.1576W

Q4=.00167 kg /s (2415.6744−301.392 ) kJ /kg−5.1576W=−1.6267W

Si consideramos al motor de vapor y al condensador como conjunto se tiene:

Q3+Q4=.00167 kg /s (2678.754−301.392 ) kJ /kg−(71.4W+.0333 kg /s ( 4.186 kJ / (° Ckg ) (61−24 )° C ) )=−72.5874W

Eficiencia del ciclo Rankine

H 2R=5.1576W / .00167 kg /s+301.392kJ /kg=3389.7576 kJ /kg

ηCR=(2678.754−3389.7576 ) kJ /kg / (2678.754−301.392 ) kJ /kg=−.2991 %

Gráficas

Conclusiones y recomendaciones

Los motores de vapor fueron las primeras maquinas térmicas que se inventaron, sin embargo en la actualidad están en desuso debido a que estos tienen un rendimiento menor comparados con el motor de combustión interna, el cual ha encontrado el auge en la industria automotriz. No obstante el ciclo Rankine es utilizado por las plantas termoeléctricas y estas constan de turbinas que igualmente funcionan con el vapor de agua. De esta manera existen similitudes entre el funcionamiento de las plantas térmicas y el motor de vapor, ya que ambos trabajan con el vapor de agua como fluido y en ambos casos se pueden usar combustibles fósiles en la caldera.

Entre las desventajas del motor de vapor están las perdidas térmicas debido a fugas, condensación inicial del vapor o la expansión incompleta; sin embargo, tiene ventajas como poder trabajar a bajas presiones o arrancar con grandes cargas.

En la teoría que se expone al inicio de la práctica se menciona que “la entropía es un factor que denota la energía de un sistema”, lo cual es por lo menos una definición incompleta.

Sería conveniente poner una explicación más detallada acerca de la realización de los diagramas así como una exposición del mismo; otra recomendación es acerca de las unidades en el diagrama entalpía-entropía, las cuales no aparecen y también unidades para la temperatura en el diagrama temperatura-entropía, así como unidades para la presión.

A mi parecer es un error que en estas prácticas cuando se mencionan algunas formulas no se deja claro cuál es el origen de las constantes que aparecen en ellas, lo cual en mi caso me provoco muchos errores en los cálculos, debido a que asumí que podían tener un origen termodinámico o bien eran debidas a la naturaleza de alguno de los mecanismos del equipo utilizado, cosa que es bastante común en formulas de ingeniería. Sin embargo muchas de estas constantes provienen de la conversión de unidades, lo cual provoca confusión si no se aclara debido a que en los manuales anteriores de Termodinámica y Mecánica de fluidos se obliga a los alumnos a realizar las conversiones de unidades correspondientes.

En esta práctica resultan confusas las unidades de energía consumida, que en la tabla de toma de lecturas se expresan como W−h y en la pág. 132 como Watts−h, en estos casos, el símbolo – (guion medio) no deja clara la indicación, ya que este es el símbolo que generalmente se ocupa para la resta pero en este caso la operación que se quiere indicar es la multiplicación. Sería conveniente que el guion medio fuera sustituido por alguno de los símbolos que tradicionalmente se emplean para indicar la multiplicación, los cuales son el punto, los paréntesis o la cruz.