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GUÍA DE Laboratorio Ingeniería Térmica
Termica (Universidad Mayor de San Andrés)
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Termica (Universidad Mayor de San Andrés)
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GUÍA DE LABORATORIO
INGENIERÍA TÉRMICA
LMEC440
FACULTAD DE INGENIERÍA
UMSA
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INTRODUCCIÓN
OBJETIVO DEL LABORATORIO DE INGENIERÍA TÉRMICA:
Reforzar la ilustración y fijación de los conocimientos obtenidos en las clases
teóricas de Ingeniería Térmica, utilizando para ello experimentos relacionados
directamente con los programas propuestos. Familiarizar al estudiante con técnicas
experimentales de trabajo haciendo hincapié no sólo los equipos utilizados y sus
limitaciones sino sobre todo en la interpretación de los resultados obtenidos.
Desarrollar Proyectos termo mecánicos que incluyan de manera transversal
plataformas de prototipos electrónicos de código abierto basados en hardware y
software flexibles para controlar equipos o aparatos termo mecánicos.
Desarrollar habilidades para para la comunicación oral y escrita del conocimiento
científico y desarrollo de Proyectos Termo mecánicos. Fomentar la capacidad de
trabajo independiente y en equipo.
COMPETENCIAS GENÉRICAS
- Capacidad de análisis y síntesis
- Comunicación escrita en lenguaje técnico a través de la presentación de Informes
- Resolución de problemas ingenieriles
- Habilidades para recuperar y analizar información desde diferentes fuentes
- Capacidad de crítica y auto-crítica
- Capacidad para un compromiso con la calidad ambiental en la emisión de gases
- Capacidad de trabajar en equipo
- Capacidad para aplicar la teoría a la práctica
COMPETENCIAS ESPECÍFICAS
- Manejo de equipos de medición de temperatura y presión
- Manejo de sistemas de Adquisición de Datos
- Operación y Mantenimiento de Calderas
- Determinación de eficiencias de equipos termo mecánicos
- Desarrollo de Proyectos Termo mecánicos
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1. Reglamento del Laboratorio
1.1 Objetivo del Reglamento:
Este Reglamento tiene por objetivo establecer normas y procedimientos
que deberán observar los estudiantes inscritos legalmente en la materia
para llevar a cabo sus prácticas en el Laboratorio y lograr el mayor
aprovechamiento así como conservar en buen estado los equipos e
instrumentos existentes en el laboratorio.
1.1.1. Comportamiento:
 El orden es la base para que un proceso enseñanza –
aprendizaje dé sus mejores resultados, por lo cual, los
estudiantes deben cumplir con el Reglamento y mantener
el orden y la compostura dentro del Laboratorio.
 Los estudiantes podrán trabajar en grupos no mayores a 5
personas.
 Un grupo determinado trabajará con un solo equipo.
 Los estudiantes no podrán abandonar el laboratorio sin
consentimiento del docente.
 En caso de dudas sobre el manejo de algún equipo debe
ser consultada con el docente.
 El silencio y el buen comportamiento es la base del orden.
 El docente podrá expulsar a cualquier estudiante que altere
el orden por alguna inconducta mostrada.
1.1.2. Asistencia y Retrasos:
 Después de 15 minutos de la hora de entrada al Laboratorio
no se admitirán estudiantes atrasados.
 Toda falta debe ser justificada y por ninguna razón se
aceptará más de dos faltas y se procederá a la exclusión
del faltante.
1.1.3. Préstamos de Equipos y Accesorios:
 Todo equipo será utilizado previa entrega de matrícula
universitaria.
 Si el equipo sufriera algún desperfecto por mal uso no se
devolverá la matrícula y todos los integrantes del grupo al
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que pertenezca el titular de la matrícula deberán corregir el
daño a entera satisfacción del Director del IIME.
1.1.4. Informes de la Prácticas:
 Los informes de las prácticas deberán ser presentados en
hojas tamaño carta, margen 1 “, letras tipo Arial 12 y con el
siguiente formato:
- Carátula que muestre los siguientes datos:
- Nombre y Sigla de la Materia
- N° de Grupo
- Nombres de componentes del Grupo
- Número de Práctica
- Fecha de la Práctica
- Nombre del docente
Contenido del Informe
1. Introducción
2. Objetivo general y Objetivos específicos de la
Práctica
3. Descripción de materiales y equipos utilizados
4. Desarrollo del experimento y toma de datos
5. Cálculos efectuados
6. Tablas y Gráficos obtenidos
7. Análisis y discusión de los resultados
8. Conclusiones y Recomendaciones
9. Bibliografía y mención de webs o páginas internet
consultadas.
2. Proyecto Final
Los grupos de estudiantes deberán presentar un Proyecto Final de aplicación
práctica, el mismo que deberá ser aprobado por el docente de la materia
hasta la 4ª sesión de Laboratorio. El Proyecto Final deberá ser desarrollado
a lo largo del semestre bajo un cronograma estricto sobre temas referidos al
contenido de la materia Ingeniería Térmica y deberá siempre incorporar una
aplicación electrónica de manera transversal.
3. Calificaciones
Las calificaciones comprenderán la evaluación de los informes presentados,
la asistencia y evaluación del Proyecto Final a ser entregado al finalizar el
semestre.
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4. Prácticas
Práctica 1. Medición de Temperaturas
Fundamento Teórico:
Métodos Mecánicos
a) Variación de Volumen (Líquidos, Gases, Sólidos)
b) Variaciones de Presión a Volumen Constantes
Métodos Eléctricos
c) Variaciones de Resistencia de un Conductor (Sondas de Resistencia)
d) Variación de Resistencia de un Semiconductor (Termistores).
e) Diferencia de Potencial creada a partir de la unión de dos Metales.
(Termopares). Métodos Basados en Radiación:
f) Intensidad de Radiación emitida (Pirómetros de Radiación)
Otras Métodos especiales (algunas no aplicables en la industria). Indicadores
de Color, Lápices, Pinturas Sensores Fluídicos. Sondas Neumáticas
Sensores Ultrasónicos. Velocidad del Sonido en un Gas, Termómetros
Acústicos. Frecuencia de Resonancia de un Cristal. Indicadores de
Luminiscencia. Termografía
Equipamiento:
1 Termoresistencia PT100
1 Juego de Termocuplas
1 Termómetro Infrarrojo
1 Multímetro digital que lea termocuplas
1 Cámara Termográfica
1 Cronómetro
Procedimientos:
Los estudiantes medirán temperaturas de líquidos (agua y aceite) que serán
sometidos a una llama de un mechero y determinarán una gráfica
Temperatura vs Tiempo que registre la lectura con los diferentes equipos de
medición y deberá explicar las diferencias en la lecturas y con los registros
determinará los resultados de las mediciones.
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Práctica 2. Medición de Presión
Métodos Mecánicos
Los dispositivos mecánicos ofrecen los medios más simples para la medición
de presión. En esta práctica, examinaremos los principios de algunos de los
dispositivos más usados e importantes.
El manómetro de fluidos es un dispositivo ampliamente utilizado para la
medición de presiones de fluidos en condiciones estables y de laboratorio.
Equipamiento:
1 Manómetro de Tubo en U
1 Manómetro de Tubo Inclinado
1 Manómetro de Bourdon
1 Gárrafas de GLP
1 Reguladores de Presión de Garrafas
Procedimientos:
Los estudiantes medirán presiones de garrafas con reguladores de presión
convencionales y efectuarán ajustes de los reguladores de presión para
determinar la presión mínima y máxima y relacionarán estas presiones con
el número de vueltas en el ajuste de los reguladores.
Complementariamente podrán medir presiones generadas por ventiladores
axiales o centrífugos.
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Prácticas 3 Construcción de un Manómetro de Tubo Inclinado
Construcción de un Manómetro De Tubo Inclinado:
La figura muestra un tubo en U donde el tubo izquierdo está conectado a una presión
más alta que el tubo derecho. Tenga en cuenta que el tubo izquierdo y el derecho
deben estar en el mismo plano inclinado para que el ángulo con respecto al plano
horizontal sea el correcto.
Un manómetro inclinado aumenta la precisión de la medición y se puede considerar
como un manómetro diferencial
Figura 1. Manómetros de tubo inclinado
∆𝑷 = 𝝆 ∙ 𝒈 ∙ 𝒉 ∙ 𝒔𝒆𝒏𝜽
Características inclinadas del manómetro
Beneficios
El ángulo inclinado del manómetro proporciona muchas ventajas. Una pequeña o
baja cantidad de presión contra el manómetro inclinado producirá un gran
movimiento de líquido en relación con las graduaciones del tubo. Como resultado,
la escala de graduación puede ser muy precisa, con una precisión de hasta una
centésima de pulgada. Además, el diseño simple del manómetro inclinado lo
convierte en una herramienta barata pero precisa para la medición diaria de presión
de gas.
Sensibilidad
Otras herramientas de manómetro, como el tipo U, no pueden registrar cantidades
de baja presión. El manómetro inclinado es esencial para retener los niveles de
presión más precisos para aplicaciones de gases industriales. Se puede usar un
sistema de gas industrial de baja presión para calentar o enfriar los procesos de
fabricación. Se puede detectar un pequeño bloqueo dentro del sistema de gas con
un manómetro inclinado y corregirlo. Es posible que otros tipos de manómetros no
registren el pequeño bloqueo hasta que el sistema de gas se obstruya por completo,
lo que justifica una reparación posiblemente costosa.
Calibrando
La alta precisión del manómetro inclinado lo convierte en una herramienta precisa
para calibrar otras herramientas, como la presión específica necesaria en una
unidad de aire acondicionado. El trabajador puede colocar el manómetro inclinado
en el flujo de presión de aire del acondicionador de aire. Posteriormente, el
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trabajador puede ajustar lentamente el sistema de aire acondicionado mientras
controla la presión reflejada en el manómetro inclinado. Como resultado, el
trabajador retiene una presión de aire precisa a través del sistema de aire
acondicionado de manera oportuna.
Partes componentes
Los manómetros inclinados no tienen piezas que puedan desgastarse o envejecer,
a diferencia de los tipos de manómetros electrónicos o mecánicos. El tubo está
hecho típicamente de vidrio o tubo de plástico, proporcionando una visión
extremadamente transparente para ver el líquido interno en movimiento. Cualquier
grieta o daño en el tubo puede alterar la precisión del manómetro. Inspeccione
visualmente el tubo antes de intentar medir la presión.
La figura muestra un tubo en U donde el tubo izquierdo está conectado a una presión
más alta que el tubo derecho. Tenga en cuenta que el tubo izquierdo y el derecho
deben estar en el mismo plano inclinado para que el ángulo con respecto al plano
horizontal sea el correcto.
Figura 1. Manómetros de tubo inclinado
∆𝑷=𝝆∙𝒈∙𝒉∙𝒔𝒆𝒏𝜽
Un manómetro inclinado aumenta la precisión de la medición y se puede considerar
como un manómetro diferencial
Construcción y Procedimientos:
Los estudiantes construirán sus manómetros inclinados por grupos con materiales
existentes en ferreterías locales y luego medirán presiones de garrafas con
reguladores de presión convencionales y efectuarán ajustes de los reguladores de
presión para determinar la presión mínima y máxima y relacionarán estas presiones
con el número de vueltas en el ajuste de los reguladores.
Complementariamente podrán medir presiones generadas por ventiladores axiales
o centrífugos.
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Práctica 4. Medición de la Presión y Flujo Volumétrico en un
Ventilador
Fundamento Teórico
Es común la medición de la presión de un ventilador con un manómetro simple
haciendo uso de agua en un tubo transparente de poco diámetro y disponiéndolo
como se muestra en la figura. La medición se hace en cm o pulgadas de columna
de agua y esta presión comprende:
 La presión estática (B): es la diferencia de presiones entre la entrada del aire
y la salida del ventilador más la fuerza ejercida contra las paredes de ductos y
tuberías así como generada por el rozamiento.
 La presión dinámica (A): es aquella generada por la energía cinética del gas.
 La combinación de ambas presiones se define como la presión total (C),
aquella que permite determinar la velocidad del gas en el flujo.
Para determinar la presión del ventilador se debe usar la ecuación siguiente:
𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝜌𝑔ℎ
Donde: 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 es la presión total
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𝜌 es la densidad del fluido en el manómetro (kg/m3)
ℎ es la altura de la cota que se mide en el manómetro (m)
𝑔 es la constante de aceleración (m/s2)
La Velocidad del aire en el ducto se determina a partir de la presión dinámica
usando la siguiente expresión:
𝑃𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑎 =
𝜌∙𝑣2
2𝑔
, 𝑣𝑎𝑖𝑟𝑒 = √
𝑃𝑑∙2𝑔
𝜌
y el flujo volumétrico de aire del ventilador será:
𝑉̇𝑎𝑖𝑟𝑒 = 𝑣𝑎𝑖𝑟𝑒 ∙ 𝐴
Donde 𝐴 es la sección del tubo conectado al ventilador usado para las
pruebas.
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Procedimiento:
Los grupos de estudiantes medirán las caídas de presión en diferentes puntos del
ducto portador del fluido de trabajo con el manómetro inclinado construido y
determinará el flujo del mismo para luego comprobar el resultado con el uso de un
anemómetro convencional.
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Prácticas 5. Demostración de la Primera Ley de la Termodinámica
Un secador de pelo común es un excelente ejemplo de un sistema de
termodinámica abierto.
La figura muestra las diferentes formas de energía que están involucrados
en un primer análisis de ley. Para una condición de estado estable, la energía
total de entrada debe ser igual a la energía total que sale. En este práctica
de laboratorio, los estudiantes intentan medir todos estos términos de
energía y luego comparar la energía de entrada con la energía de salida para
así demostrar que el secador de pelo cumple con la Primera Ley de la
Termodinámica.
𝑾
̇ 𝒆𝒍𝒆𝒄 − 𝑸
̇ + 𝒎
̇ 𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂(𝒉𝒆 +
𝑽𝒆𝒏
𝟐
𝟐
̇
+ 𝒈𝒛𝒆) − 𝒎
̇ 𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂(𝒉𝒔 +
𝑽𝒔
𝟐
𝟐
̇
+ 𝒈𝒛𝒔) = 𝟎
Equipamiento:
1 Secador de cabello eléctrico
1 Soporte para el montaje del secador de pelo
1 Soporte para cinco termopares
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1 Soporte para tubo Pitot con respectivo manómetro diferencial
2 multímetros digitales
1 dispositivo para leer los termopares
1 Termómetro infrarrojo
1 Calibradores pie de rey
1 anemómetro digital
Procedimiento:
En esta práctica se deben tomar temperaturas en diferentes regiones del flujo de
calor que sale del secador, determinar entalpías, determinar el trabajo eléctrico y
velocidades de aire, así como la potencia eléctrica del secador para aplicar la
ecuación de la 1ra Ley de la Termodinámica aplicado a un sistema abierto y
volumen de control designado.
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Práctica 6. Experimento de Transferencia de Calor por Conducción
Introducción:
George Frederick Charles Searle nació el 3 de diciembre de 1864 y fue un físico y
conferenciante británico. Searle comenzó a trabajar en la Universidad de Cambridge
en 1888 a la edad de 24 años bajo la supervisión de J. J. Thompson. Continuó su
trabajo por otros 55 años. Searle es mejor conocido por su contribución a la
investigación sobre la dependencia de la velocidad de la masa electrostática que
jugó un papel importante en la formulación de la teoría de la relatividad especial de
Einstein. Junto con estos logros, se produjo el experimento Searle's Bar, una forma
simple y económica de calcular la conductividad térmica de buenos conductores
térmicos.
Es importante tener en cuenta que para que este experimento tenga éxito, la varilla
que se mide debe ser un buen conductor térmico.
La mayoría de los metales se consideran buenos conductores térmicos, por lo que
cualquier varilla de metal sería adecuada para este experimento. Los materiales
comunes con conductividades térmicas lo suficientemente altas incluyen: cobre,
acero inoxidable y aluminio.
Calor específico del agua = 4.18 kJoules/(kg⋅°K)
Calor absorbido por el agua (Q) = Cp⋅ m ⋅ ΔT
Cp = Calor específico del agua
Q = Calor absorbido por el agua
m = Masa del agua en gramos
ΔT = Variación de la temperatura del agua
Flujo de calor (Q) = k ⋅ A ⋅ (T1-T2) / d
k = Conductividad Térmica en Watts/Meter-Kelvin
A = Área en metros cuadrados (m2
)
T1 and T2 = Temperatures in Kelvin
d = Distancia que recorre el calor en metros
Área de la sección de la varilla A= πD2
/ 4
Procedimiento
Con un calibre Vernier u otra herramienta de medición, calcule el área de la sección
transversal (A) de la varilla de metal y la distancia (d) entre los termómetros 1 y 2.
Pese los 2 vasos de 500ml
Encienda el tubo de entrada de agua y el generador de calor.
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Permita que el sistema alcance el estado estable (sin cambios en ninguna
temperatura durante 5-10 minutos)
Una vez que alcance el estado estacionario, registre la temperatura que se muestra
en cada termómetro (T1, T2, T3 y T4)
Recolecte una cantidad deseada de agua (entre 500 ml y 1000 ml) durante un
período de tiempo dado (t)
Pese los vasos llenos de agua y restar el peso del vaso de precipitados para
determinar la masa de agua que pasa a través del tubo de cobre durante un tiempo
determinado (t)
Cálculos
La tasa de transferencia de calor entre los termómetros 1 y 2 y la distancia d está
dada por la ecuación:
Q / t = k ⋅ A ⋅ (T1 – T2) / d (1)
Esta fórmula puede ser arreglada de la siguiente manera:
k = Q ⋅ d / π r2
(T1 – T2) ⋅ t (2)
La cantidad de energía absorbida por el agua está dada por la siguiente fórmula:
Q = Cp ⋅ m ⋅ ΔT (3)
Reemplazando Q de (2) en (3) tenemos:
K = m ⋅ Cp ⋅ (T3-T4) ⋅ d / πr2
(T1 – T2) ⋅ t (4)
Reemplazando los datos obtenidos experimentalmente en la fórmula (4) permite
obtener la conductividad k de la varilla metálica.
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Práctica 7. Transferencia de Calor por Conducción
Transferencia de calor por Convección Natural
Objetivos:
1. Determinar el coeficiente global de transferencia de calor en la superficie
de un cilindro de metal vertical dado por el método de convección natural.
2. Determinar el valor del número de Nusselt.
Equipo de Convección Natural: Un cilindro metálico montado verticalmente
en un conducto rectangular de material aislante abierto en la parte superior
e inferior. Un calentador eléctrico al interior del cilindro calienta la superficie
del cilindro. El calor se transfiere del cilindro al aire circundante por
convección natural, porque el aire en contacto con el cilindro se calienta y se
vuelve menos denso, lo que hace que se eleve. Esto a su vez crea un flujo
continuo de aire hacia arriba en el conducto. La temperatura en las diversas
ubicaciones en la superficie del cilindro vertical y en el aire entrante y saliente
se controla con termopares. El conducto está hecho de material aislante
porque es un conductor pobre y así se evita que se transfiera mucho calor
del ducto al aire exterior, así el ducto facilitará el flujo de aire sin introducir
otra superficie convectiva.
Se recomienda un tubo de 500 mm de largo x 40 mm de diámetro.
Fundamento Teórico
La teoría de la transferencia de calor busca predecir la transferencia de
energía que tiene lugar entre cuerpos materiales como resultado de la
diferencia de temperatura. Esta transferencia de energía se define como
calor. Los tres modos por los que se puede transferir calor de un lugar a otro
son la conducción, la convección y la radiación.
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Es bien sabido que una placa de metal caliente se enfriará más rápido
cuando se coloque frente a un ventilador que cuando se coloca en el aire.
Con el ventilador, decimos que el calor se elimina por convección, y llamamos
al proceso transferencia de calor por convección. La convección implica la
transferencia de calor por movimiento y la mezcla de un fluido.
La convección forzada ocurre cuando el fluido se mantiene en movimiento
por medios externos, como una turbina o un ventilador. Algunos ejemplos de
convección forzada son el girar o revolver una mezcla de hielo y agua, soplar
la superficie del café en una taza, orientando el radiador del automóvil para
hacer frente al flujo de aire, etc.
La convección se llama convección natural cuando el movimiento y la mezcla
del fluido son causados por la variación de densidad que resulta de las
diferencias de temperatura dentro del fluido. La densidad del fluido cerca de
la superficie caliente es menor que la del fluido más frío que se aleja de la
superficie calentada, y la gravedad crea una fuerza de flotación que eleva el
fluido calentado hacia arriba.
En el caso de la conducción a través de un sólido de área A y espesor L, el
flujo de calor está dado por:
𝑄
𝑡
=
𝑘𝐴∆𝑇
𝐿
(1)
Donde ΔT es la diferencia de temperatura a través del espesor L, y k es la
conductividad térmica del objeto.
En el caso de la convección, el flujo de calor es proporcional solo al área de
superficie A del objeto,
𝑄
𝑡
= ℎ𝐴∆𝑇 (2)
Donde h es el coeficiente de transferencia de calor por convección (unidades
Wm2
/°K) que depende de la forma y orientación del objeto. ΔT es la diferencia
de temperatura entre la superficie del objeto y el fluido circundante.
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La convección es una forma mejorada de conducción, ya que el movimiento
del fluido ayuda a transportar el calor transferido por conducción, por lo que
uno esperaría cierta relación entre h y k. Si la temperatura del cilindro no es
muy superior a la del aire circundante, el fluido en movimiento se puede
aproximar como una capa estacionaria que tiene un espesor característico L.
Comparando las ecuaciones (1) y (2), uno tiene inmediatamente la relación
ℎ =
𝐾
𝐿
. De hecho, a medida que aumenta la temperatura del cilindro, el
movimiento del fluido aumenta y se vuelve turbulento, con lo que el fluido se
vuelve más eficiente para transportar calor, y h puede llegar a ser 102 - 104
veces
𝐾
𝐿
. La proporcionalidad entre h y
𝐾
𝐿
se llama número de Nusselt
𝑁 =
ℎ
𝐾 𝐿
⁄
=
ℎ𝐿
𝐾
(3)
Donde k es la conductividad térmica del aire y L es la longitud característica.
Téngase en cuenta que N es una cantidad adimensional.
En nuestro caso, que involucra flujo turbulento, estamos interesados en la
variación de la temperatura a lo largo de la longitud de un cilindro de metal,
por lo que tomaremos la longitud característica L que será la longitud del
cilindro.
Aplicaciones:
La transferencia de calor por convección natural se usa ampliamente en las
siguientes áreas de ingeniería:
1. Enfriamiento de transformadores de potencia eléctrica comerciales de alto
voltaje.
2. Calentamiento de casas por calentadores eléctricos de zócalo.
3. Pérdida de calor de líneas de tuberías de vapor en plantas de energía y
aumento de calor en tuberías de refrigerantes en aplicaciones de aire
acondicionado.
4. Enfriamiento de los núcleos de los reactores en las centrales nucleares,
aunque a menudo el refrigerante es impulsado por bombas, lo que resulta en
una transferencia de calor más eficiente por convección forzada.
5. Enfriamiento de dispositivos electrónicos (chips, transistores) por
disipadores de calor con aletas, aunque a menudo hay un ventilador para
aumentar la convección natural con convección forzada.
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Práctica 8. Medición de Poderes Caloríficos de Combustibles Sólidos y
Líquidos en Bomba Calorimétrica
El método experimental para determinar el poder calorífico superior de una
muestra de combustible es haciendo uso de la bomba calorimétrica que es
un recipiente de acero cerrado a prueba de explosiones y cuyo volumen no
cambia durante la reacción. En el interior de la bomba se coloca la muestra
de combustible, la cual está en contacto con una resistencia eléctrica que
genera calor; la bomba calorimétrica es inyectada con oxígeno a presiones
mayores de 30 bar.
La bomba es sumergida en agua u otro líquido que absorba el calor de
combustión. Luego se mide el calor absorbido por la bomba y el agua a través
de sus calores específicos; con estos datos se determina el PCS del
combustible. El combustible se quema con el suficiente combustor (oxígeno)
para lograr una combustión completa en el sistema cerrado. El sistema luego
es enfriado a temperatura ambiente hasta que la temperatura final sea igual
a la inicial. Se aplica la conservación de la energía de la primera Ley de la
termodinámica para el análisis:
𝑈𝑃 − 𝑈𝑅 = 𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣
Fig. Bomba Calorimétrica
Fuente: S. McAllister et al., Fundamentals of Combustion Processes,
Mechanical Engineering Series, 2011
Debido a que la temperatura final es similar a la temperatura ambiente, el
agua en los productos de combustión está usualmente en fase líquida, por lo
tanto se puede usar las ecuaciones del PCS a volumen constante, es decir:
𝑃𝐶𝑆 =
−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣−(∑ 𝑁𝑖,𝑃
𝑖 −∑ 𝑁𝑖,𝑅
𝑖 )𝑅
̂𝑢𝑇0
𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
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Si los productos de la combustión presentan una temperatura final
ligeramente mayor a la de los reactantes (< 10°C), se puede considerar un
error despreciable y la cantidad de calor transferido será:
−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 = (𝑚𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 ∙ 𝐶𝑃,𝑎𝑐𝑒𝑟𝑜 + 𝑚𝐻20 ∙ 𝐶𝑝,𝐻20)∆𝑇
Donde ∆𝑇 es el cambio de temperatura del agua y la bomba calorimétrica de
acero.
La bomba calorimétrica también puede medir la entalpia de formación de una
especie química. Por ejemplo, para determinar la entalpia de formación del
H2O, se empieza con un mol de H2 y 0.5 mol de O2. Estos elementos tienen
entalpías cero de formación, es decir:
∑ 𝑁𝑖,𝑅
𝑖 ∆ℎ
̂°𝑖,𝑅 = 0
El único producto es el elemento agua H20; entonces se escribe la entalpía
de formación del H20, como:
∆ℎ
̂°𝑖,𝑃 =
𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 + (∑ 𝑁
𝑖 𝑖,𝑃
− ∑ 𝑁
𝑖 𝑖,𝑅
) 𝑅
̂𝑢𝑇0
𝑁𝑖,𝑝
=
𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 + ∆𝑁𝑅
̂𝑢𝑇0
𝑁𝑖,𝑝
Donde:
∆𝑁 = ∑ 𝑁𝑖,𝑃
𝑖
− ∑ 𝑁𝑖,𝑅
𝑖
Equipamiento:
1 Calorímetro de Combustibles líquidos y sólidos
1 Sistema de adquisición de datos
1 Termómetro digital
1 Tanque de oxígeno con regulador de presión
Procedimientos:
Preparación del Equipo.
Se toman de 1 a 1,5 gramos de combustible pulverizado y se fabrica una
pastilla. Si el combustible es líquido, se toman con una pipeta de 1 a 1,5
mililitros. El combustible debe colocarse en el crisol de la bomba. El recipiente
del agua se llena con 2000 a 2200 gramos de agua. Se corta un trozo de
alambre de ignición de 15 cm y se ata firmemente a los electrodos de la
bomba calorimétrica, asegurándose que el alambre toque el combustible. Se
cierra la bomba, se presuriza con oxígeno a 20 atmósferas y se introduce en
el recipiente del agua. Se introduce el recipiente dentro de la camisa
adiabática y se coloca la tapa correspondiente.
Prueba Preliminar.
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Es conveniente familiarizarse con el termómetro del equipo, así como
determinar su apreciación. Una vez que se haya alcanzado el equilibrio
térmico entre los distintos componentes del sistema, se enciende el agitador,
tomando nota cada minuto de la temperatura del agua en la bomba. Esto se
hace hasta que la temperatura se estabilice o hasta que los cambios de
temperatura se hagan constantes.
Prueba Principal.
Una vez logrado lo anterior, se conectan eléctricamente los electrodos de la
bomba, presionando el interruptor correspondiente. En este momento el hilo
de hierro se torna incandescente y se funde, formándose óxido de hierro y
quemando completamente el combustible. En este momento la temperatura
comienza a subir rápidamente. Las lecturas de temperatura siguen
tomándose minuto a minuto hasta que se estabilice.
Prueba Complementaria.
Si luego de dar por culminada la prueba principal se aprecian algunos nuevos
cambios de temperatura, estos se anotan minuto a minuto hasta verificar la
estabilidad o hasta que los cambios sean constantes. Si esto no ocurre, la
prueba finaliza cuando el número de lecturas sea igual al de la prueba
preliminar.
Procesamiento de los Datos
Con los datos tomados durante la práctica el estudiante deberá
Determinar la constante de la bomba calorimétrica para el momento del
ensayo, usando las ecuaciones correspondientes y los datos obtenidos para
la experiencia realizada con el combustible de poder calorífico conocido.
Determinar el poder calorífico de un combustible usando la constante
calculada y los datos obtenidos para el ensayo con un combustible de poder
calorífico desconocido.
Obtener información de la literatura sobre el valor del poder calorífico del
combustible objeto del ensayo y compararlo con el calculado
experimentalmente.
Realizar el análisis de los resultados anteriores y establecer las conclusiones
correspondientes.
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Tablas de Datos
2
P
P
P
m
C
donde
C
T
T C
P
C
PRINCIPAL
PRUEBA





 Δ
Δ
inar
lim
pre
prueba
de
lécturas
Número
inar
lim
pre
prueba
de
s
diferencia
de
Suma
PP 
aria
complement
prueba
de
lécturas
Número
aria
complement
prueba
de
s
diferencia
de
Suma
PC 
m = Número de lecturas de la prueba principal
Es importante señalar que el último valor anotado para la prueba preliminar
será el primero para la prueba principal y el último anotado para la principal
será el primero para la complementaria. Las diferencias se calculan a través
de la ecuación n-(n+1) y se colocan con el signo que resulten, no en valor
absoluto.
PRUEBA
PRELIMINAR
PRUEBA
PRINCIPAL
PRUEBA COM-
PLEMENTARIA
PRUEBA
PRELIMINAR
PRUEBA
PRINCIPAL
PRUEBA COM-
PLEMENTARIA
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Práctica 9. Determinación de la Eficiencia de un Calefón Instantáneo
Calefones Instantáneos
El calefón instantáneo es un artefacto constituido básicamente por un
intercambiador de calor, compuesto por un serpentín, en el cual circula el
agua a calentar por la llama producida por el quemador principal, según se
indica en la figura siguiente.
Fig. Esquema interno del Calefón Instantáneo
El gas entra por (1) apretando el pulsador (2) al mismo tiempo que se actúa
sobre el encendedor piezoeléctrico que ignita la llama del piloto (3). Después
de 30 segundos la corriente que genera el bimetal del termopar situado frente
a la llama piloto es suficiente para excitar la bobina (4) y mantener abierto el
paso de gas por lo que se puede soltar el pulsador (2). La actuación del
termostato de seguridad (5) interrumpe el paso de la bobina (4) cerrando el
paso de gas en caso de exceso de temperatura. Cuando se abre el grifo de
agua caliente, el agua fría pasa por un estrangulamiento S, lo que provoca
una caída de presión que hace que se presione el diafragma (8). El
diafragma, a su vez, abre la válvula del gas (9) que es encendida por la llama
piloto (3)
La característica principal de funcionamiento de estos aparatos es la rápida
puesta en marcha, por lo que se los denomina calentadores instantáneos de
agua. Pueden ser de cámara abierta, descargando los gases por conductos
al exterior, tomando el aire para la combustión del local, o del tipo de tiro
balanceado o cámara estanca.
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Al calefón instantáneo se lo define por el calentamiento del agua en
litros/minuto, con un salto de temperatura en 20°C. Se fabrican en distintas
capacidades, variando su caudal de 3 a 24 litros/min.
El funcionamiento del calefón es comandado automáticamente, regulándose
su funcionamiento dependiendo de la apertura de algún grifo de la instalación
de suministro de agua caliente. De esa manera, se regula la circulación del
gas en función del consumo de agua, utilizándose, para ello, una válvula de
diafragma para el control del caudal de agua, vinculada a una válvula a
resorte para regular la admisión del gas al quemador.
El quemador no debe quedar a una altura superior a 1,80 m del piso ni inferior
a 1,50 m para permitir un fácil acceso y para facilitar un adecuado desmontaje
del artefacto. Las conexiones de agua fría y caliente deben contar con
uniones dobles de agua fría.
El calefón puede ubicarse por encima o por debajo de los artefactos que
suministra, pero la válvula a diafragma necesita cierta presión mínima de
agua para activarse, por lo que la carga de suministro de agua no debe ser
menor a 2 m de columna de agua, medidos desde el fondo del tanque hasta
el artefacto más alto, generalmente la ducha.
En el caso de suministro directo de agua se pueden ubicar en planta baja o
en planta alta, siempre que la ducha o grifos estén ubicados a una altura no
mayor de 5 m sobre el nivel del piso.
Si la diferencia de nivel del tanque de reserva al calefón es menor de 4 m, se
admite hasta 2 m de conexión de bajada de agua exclusiva y una cañería de
19 mm de diámetro mínimo. Se aconseja 12 metros de distancia entre el
último grifo servido y el calentador. Su principal ventaja es su sencillez y su
bajo costo.
Equipamiento:
1 Balanza
1 Calefón instantáneo
1 Termómetro
1 Gárrafas de GLP
Procedimientos:
Los estudiantes por grupos identificarán y estudiarán los diferentes
subsistemas del calefón y determinarán la Eficiencia del mismo, para ello
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deberán determinar el flujo másico de combustible, el flujo volumétrico de
agua y la diferencia de la temperatura del agua a la entrada y salida del
calefón.
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Práctica 10. Determinación de la Eficiencia de un Calefón Termotanque
Calefones Termotanques
Estos equipos tienen como finalidad calentar el agua hasta 65°C y almacenarla en
tanques que varían en tamaños desde 75 L hasta 300 L. El volumen del
termotanque es vital para proveer abundante agua caliente en la hora de demanda
pico. A medida que el agua caliente se consume, se repone con agua fría de la red,
manteniendo una temperatura adecuada y constante por medio del funcionamiento
de uno o varios quemadores a gas regulados por un termostato.
Fig. Vista interior y esquema de Termotanque
El calefón termotanque a gas cuyas características se muestran en la figura, consta
generalmente de un tanque interior construido en chapa de acero, protegido contra
la corrosión. La transmisión del calor al agua se realiza a través del fondo del tanque
y del conducto de gases de la combustión. La separación entre el agua caliente y la
fría es producto de la variación de densidades, a medida que el agua fría entra, ésta
permanece en el fondo del tanque ya que es más pesada que el agua caliente y
ésta última sube.
El equipo de control lo constituye el termostato que cumple dos funciones:
• Termostática, controlando la temperatura límite del agua del tanque.
• De seguridad, produciendo el cierre total del pasaje de gas al artefacto, en
caso de que se apague el quemador piloto.
Estos calefones tienen la propiedad de tener un alto volumen de agua caliente lista
para suplir una demanda simultánea de dos o tres duchas o grifos. Su desventaja
es la pérdida de calor del agua del tanque cuando no existe demanda.
La energía suministrada es la cantidad de calor por hora requerida para calentar el
agua del tanque. Mayor energía suministrada significa que el calefón calentará más
rápidamente cuando se lo requiera.
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La Capacidad de Recuperación de un termotanque, se refiere al flujo volumétrico
de agua caliente generado con relación a la energía suministrada y con un salto de
temperatura de 30°C.
La hora pico se refiere a la cantidad de agua caliente estimada que suministrará el
calefón en la hora de mayor demanda, esta cantidad dependerá, de la capacidad
del tanque y su capacidad de recuperación.
Equipamiento:
1 Balanza
1 Calefón termotanque
1 Termómetro
1 Multímetro
1 Gárrafas de GLP
Procedimientos:
Los estudiantes por grupos identificarán los subsistemas de ignición, control de
temperatura y estudiarán en detalle la válvula de gas principal.
Medirán el voltaje generado por el efecto termopar en el sensor de temperatura y
deberán medir el flujo másico de combustible, el tiempo de calentamiento hasta que
el termostato llegue a la temperatura deseada y se apague el calefón. Medirán el
salto de temperatura alcanzado y con dichos datos determinarán la eficiencia del
calefón termotanque.
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Práctica 11. Determinación de la Eficiencia de un Caldero de Vapor
Un generador de vapor es un conjunto de equipos y aparatos que se
combinan para producir vapor. El componente principal de un Generador de
vapor es la Caldera o Caldero
Caldera: Es un intercambiador de calor cerrado en un recipiente metálico,
destinado a producir vapor o calentar agua, mediante la acción del calor a
una temperatura superior a la del ambiente y presión mayor que la
atmosférica.
La transferencia de calor se realiza a través de una superficie de calefacción,
formada por paredes y bancos de tubos. La superficie de calefacción es el
área de una caldera que por un lado está en contacto con los gases y por el
otro con el agua que se desea calentar y evaporar.
Existe una gran variedad de tamaños: desde las domésticas para
calefacción, hasta las que se usan en plantas termoeléctricas capaces de
producir hasta 1250 kg/s de vapor, a presiones de aproximadamente 17.5 a
28.0 MPa y temperaturas de sobrecalentamiento superiores a los 530 °C.
Comúnmente el fluido de trabajo en las calderas es el agua; sin embargo,
también existen calderas de aceites térmicos que llegan a elevadas
temperaturas, 200°C a 300°C sin que exista cambio de fase.
Calderos Pirotubulares
Se denomina caldero pirotubular a aquel generador de vapor cuyo
intercambiador de calor está compuesto por una serie de tubos por los cuales
circulan gases calientes, generalmente producto de una combustión y,
además, estos tubos están rodeados de agua, la cual se desea calentar o
evaporar. Estos calderos pueden ser de alta o baja presión. Los dos tipos de
calderos pirotubulares más fabricados en el mundo son los siguientes:
1. Calderos de Fondo Seco
2. Calderos de Fondo Húmedo
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Fig. Esquema de Caldero de Fondo Seco
Fig. Esquema de Caldero de Fondo Húmedo
Todos los calderos pirotubulares tienen el mismo principio de
funcionamiento: el calor producido por los gases de combustión pasan por
los tubos al mismo tiempo que el agua rodea los tubos. Sin embargo, estos
calderos presentan diferentes diseños, de acuerdo al número de pasos de
los gases calientes por una serie de tubos.
Los calderos pirotubulares se miden de acuerdo al diámetro exterior que
presentan y su diseño está limitado a una presión de 17237 bar y 750 HP de
potencia.
A medida que el agua es calentada, ésta incrementa su volumen y se hace
más liviana, por lo tanto sube a la superficie y el agua fría baja.
Eventualmente, las burbujas rompen la superficie y entran en el espacio del
vapor.
Cuanto mayor sea el número de tubos dentro de la caldera, mayor será la
superficie de contacto, por un lado de los gases calientes y por el otro del
agua, y mayor calor se aprovechará de los gases de combustión. Esto resulta
en una circulación más rápida del agua y formación de burbujas.
Fig. Sección de Caldero Pirotubular de 4 Pasos
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En la figura se muestra un generador de vapor tipo paquete de tubos de humo
recto y horizontal, de tipo forzado, donde el agua se encuentra dentro de un
tambor atravesado axialmente por un tubo central, denominado cañón, y un
bando de tubos paralelo a éste, por los cuales circulan los gases calientes.
El cañón hace las veces de horno y contiene en su interior el quemador,
donde descarga el ventilador de tiro forzado.
El número de pasos depende de las veces que los gases circulan axialmente;
en este caso se tienen cuatro. El primer paso, del frente a la parte posterior
de la caldera a través del horno o cañón, el segundo de la parte posterior
nuevamente al frente por los tubos inferiores (los gases se desvían hacia
abajo mediante una mampara) y luego dos pasos más descargando
finalmente en la chimenea.
Este tipo de diseño es muy usado en calderas tipo paquete de baja capacidad
que producen vapor saturado.
Equipamiento:
1 Caldero Pirotubular de Laboratorio
1 Medidor de flujo instalado al caldero
1 Termómetro
1 Garrafas de GLP
Procedimientos:
En grupos de 4 los estudiantes deberán identificar los diferentes subsistemas
del caldero y explicar detalladamente su funcionamiento.
Determinarán la Superficie de Calentamiento
Medirán la eficiencia del Caldero
Determinarán la temperatura del vapor en el caldero y verificarán el resultado
en tablas de vapor.
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