UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICOFACULTAD DE INGENIERÍA
DIVISIÓN DE CIENCIAS BÁSICASCOORDINACIÓN DE FÍSICA Y QUÍMICADEPARTAMENTO DE TERMODINÁMICALABORATORIO DE TERMODINÁMICA
PRÁCTICA. 12“ANÁLISIS ENERGÉTICO EN UN COMPRESOR”
Máquina capaz de aumentar la presión y desplazar ciertos fluidos llamados compresibles, tales como gases y vapores.
¿Qué es un compresor?
Tipos
Desplazamiento Alternativo (rectilíneo) Desplazamiento Rotatorio
Altas presiones
Bajos gastos volumétricos
Bajas presiones
Altos gastos volumétricos
Principales aplicaciones
Sistemas de refrigeración y calefacción
Generación de energía eléctricaRedes hidráulicas y neumáticas
Análisis termodinámico del compresor en aplicaciones de refrigeración y calefacción
Análisis general de primera ley de la Termodinámica Mecanismos de Transferencia de energía
Calor
Trabajo Flujo másico2
/exp1
compW PdV= −∫𝑊𝑊𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 = 𝑉𝑉 𝐼𝐼 ∆𝑡𝑡 [𝐽𝐽]
𝑊𝑊𝑓𝑓𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑓𝑓𝑓 = 2𝜋𝜋 𝑇𝑇 𝜔𝜔 [𝐽𝐽]
𝑊𝑊𝑒𝑒𝑒𝑒𝑟𝑟𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 =12𝑘𝑘 𝑥𝑥2 − 𝑥𝑥2 [𝐽𝐽]2 1
𝑄𝑄 = 𝑚𝑚 𝑐𝑐 ∆𝑇𝑇 [𝐽𝐽]𝑄𝑄 = 𝑚𝑚 λ [J]
�̇�𝐸 = �̇�𝑚 ℎ2 − ℎ1 [J/s][J]
Balance general de energía
Tasa de transferencia neta de energía por calor, trabajo y
masa
Tasa de cambio de energía interna, cinética, potencial, etc.
�̇�𝐸𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑓𝑓𝑒𝑒𝑓𝑓 − �̇�𝐸𝑟𝑟𝑓𝑓𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑓𝑓 = �𝑑𝑑𝐸𝐸𝑟𝑟𝑒𝑒𝑟𝑟𝑒𝑒𝑒𝑒𝑠𝑠𝑓𝑓𝑑𝑑𝑡𝑡
𝐽𝐽𝑠𝑠
Balance de energía para volúmenes de control
sistemaentrada salida
dEE E dt− =∑ ∑
( ) ( ) ( )2 22 1 2 1 2 1
12
Q W m V V g Z Z h h + = − + − + −
Considerando una entrada y una salida
Cambio en la energía cinética
Cambio en la energía
potencial
Cambio en la entalpía
Transferencia de energía por calor y trabajo
Flujo másico
[J/s]
Dispositivos que trabajan en conjunto con el compresor para tener la unidad de refrigeración
CompresorVálvula
de expansión
Evaporador
Condensador
Esquema y diagrama (T vs s) del equipo a utilizar en la práctica
Análisis de primera ley de la Termodinámica en el condensador
( ) ( ) ( )2 22 3 2 3 2 3
12
Q W m V V g Z Z h h + = − + − + −
Tasa de rechazo de calor �̇�𝑄𝐻𝐻 = �̇�𝑚 ℎ2 − ℎ3 𝐽𝐽/𝑠𝑠
Análisis de primera ley de la Termodinámica en el evaporador
( ) ( ) ( )2 21 4 1 4 1 4
12
Q W m V V g Z Z h h + = − + − + −
Tasa de absorción de calor �̇�𝑄𝐿𝐿 = �̇�𝑚 ℎ1 − ℎ4 𝐽𝐽/𝑠𝑠
Análisis de primera ley de la Termodinámica en la válvula de expansión
( ) ( ) ( )2 24 3 4 3 4 3
12
Q W m V V g Z Z h h + = − + − + −
Proceso de estrangulamientoℎ3 ≈ ℎ4 𝐽𝐽/𝑘𝑘𝑘𝑘
Análisis de primera ley de la Termodinámica en el compresor
( ) ( ) ( )2 22 1 2 1 2 1
12
Q W m V V g Z Z h h + = − + − + −
Potencia en el Compresor�̇�𝑊 = �̇�𝑚 ℎ2 − ℎ1𝐽𝐽𝑠𝑠
Análisis de primera ley de la Termodinámica en la Bomba de calor PT
Potencia en el compresor
Tasa de rechazo de calor en el condensador
Tasa de suministro de calor en el evaporador
Análisis en la válvula de expansión
�̇�𝑄𝐻𝐻 = �̇�𝑚 ℎ2 − ℎ3 𝐽𝐽/𝑠𝑠
�̇�𝑄𝐿𝐿 = �̇�𝑚 ℎ1 − ℎ4 𝐽𝐽/𝑠𝑠
ℎ3 ≈ ℎ4 𝐽𝐽/𝑘𝑘𝑘𝑘
�̇�𝑊 = �̇�𝑚 ℎ2 − ℎ1𝐽𝐽𝑠𝑠
Máquina Térmica (MT)
Dispositivo que convierte cierta cantidad de calor (proveniente de un depósito de alta
temperatura) en trabajo, y rechaza el resto a un depósito de baja temperatura.
Depósito de alta
MT
Depósito de baja
Eficiencia Térmica
netoth
H
WQ
η =
thObtengoCuesta
η =
Máquina térmica invertidaRefrigerador
Bomba de calor
Requiere una entrada de trabajopara que el calor fluya del depósito de
temperatura baja al depósito de temperatura alta.
Máquina térmica invertida
LR
neto
QCOPW
=
1
1R
H
L
COPQQ
=−
Refrigerador
Bomba de calor
HBC
neto
QCOPW
=
1
1BC
L
H
COPQQ
=−
Su desempeño se mide mediante el Coeficiente de
Operación “COP”
Concepto de entropía
A la cantidad se le conoce como entropía. Q
Tδ
Nos indica la posibilidad o imposibilidad en los procesos termodinámicos.
En términos energéticos, la entropía es la energía que no se logra convertir en trabajo útil.
Análisis general de segunda ley de la Termodinámica Mecanismos de transferencia de entropía
calorQST
= 0trabajoS =
Calor Trabajo
Flujo másico
𝑆𝑆𝑠𝑠𝑓𝑓𝑟𝑟𝑓𝑓 = 𝑚𝑚 𝑠𝑠 [𝐽𝐽𝐾𝐾
]
�̇�𝑆𝑠𝑠𝑓𝑓𝑟𝑟𝑓𝑓 = �̇�𝑚 𝑠𝑠 [𝐽𝐽𝐾𝐾
]
Balance general de entropía
sistemaentrada salida gen
dSS S S dt− + =
Tasa de transferencia neta de entropía por calor y masa
Tasa de generación de entropía
Tasa de cambio de entropía en el
sistema
[J/s K]
Balance de entropía para volúmenes de control
( ) ( ). .gen salida entrada
QS m s m sT
= − −∑ ∑ ∑
( )2 1genQS m s sT
= − −∑
�̇�𝑆𝑔𝑔𝑒𝑒𝑒𝑒 = �̇�𝑚 𝑠𝑠2 − 𝑠𝑠1𝐽𝐽𝑠𝑠 𝐾𝐾
Análisis de segunda ley de la Termodinámica en el condensador
sistemaentrada salida gen
dSS S S dt− + =
( )3 2H
genamb
QS m s sT
= − −∑
Entropía generada
en el condensador
Análisis de segunda ley de la Termodinámica en el evaporador
sistemaentrada salida gen
dSS S S dt− + =
( )1 4L
genamb
QS m s sT
= − −∑
Entropía generada
en el evaporador
Análisis de segunda ley de la Termodinámica en la válvula de estrangulamiento
sistemaentrada salida gen
dSS S S dt− + =
Entropía generada en el dispositivo de estrangulamiento
�̇�𝑆𝑔𝑔𝑒𝑒𝑒𝑒 = �̇�𝑚 𝑠𝑠4 − 𝑠𝑠3𝐽𝐽𝑠𝑠 𝐾𝐾
Análisis de segunda ley de la Termodinámica en el compresor
sistemaentrada salida gen
dSS S S dt− + =
Entropía generada en el compresor
�̇�𝑆𝑔𝑔𝑒𝑒𝑒𝑒 = �̇�𝑚 𝑠𝑠2 − 𝑠𝑠1𝐽𝐽𝑠𝑠 𝐾𝐾
( )3 2H
genamb
QS m s sT
= − −∑
Entropía generada
en el condensador
( )1 4L
genamb
QS m s sT
= − −∑
Entropía generada
en el evaporador
( )4 3genS m s s= − Entropía generada en el dispositivo de estrangulamiento
( )2 1genS m s s= − Entropía generada en el compresor
Análisis de segunda ley de la Termodinámica en la Bomba de calor PT
[ ]H LW Q Q= −
Para el caso de la práctica
= Temperaturas antes de poner en funcionamiento el equipo.
= Temperaturas después de poner en funcionamiento el equipo.
1
2
TT
Trabajo en el compresor
Bomba de calor PT
H LW Q Q= −
𝑄𝑄𝐻𝐻 = 𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑟𝑟𝑓𝑓𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 = |𝑚𝑚𝑓𝑓𝑔𝑔𝑎𝑎𝑓𝑓𝑐𝑐𝑓𝑓𝑔𝑔𝑎𝑎𝑓𝑓 𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1 |
𝑄𝑄𝐿𝐿 = 𝑄𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒𝑓𝑓𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑓𝑓𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 = |𝑚𝑚𝑓𝑓𝑔𝑔𝑎𝑎𝑓𝑓𝑐𝑐𝑓𝑓𝑔𝑔𝑎𝑎𝑓𝑓 𝑇𝑇2 − 𝑇𝑇1 |
comp H Lcomp
W Q QW
t t−
= =∆ ∆
Potencia del compresor
( )2 1compW m h h= − ( )2 1
compWm
h h=
−
Flujo másico en el sistema
1
1 1P Manómetrox==
2
2
P Manómetro
T
=
=
1h 2h
1s 2sMedida a la salida delcompresor
P1 y P2 se miden del manómetro y se convierten en absoluta para consultar tablas termodinámicas.
Cambio de entropía en el compresor
Cambio de entropía en los alrededores
Cambio de entropía en el sistema
�̇�𝑆𝑒𝑒𝑒𝑒𝑠𝑠𝑒𝑒 = �̇�𝑚 𝑠𝑠2 − 𝑠𝑠1𝐽𝐽𝑠𝑠 𝐾𝐾
�̇�𝑆𝑓𝑓𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 =�̇�𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑇𝑇𝑓𝑓𝑠𝑠𝑎𝑎
−�̇�𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒𝑓𝑓𝑒𝑒𝑇𝑇𝑓𝑓𝑠𝑠𝑎𝑎
𝐽𝐽𝑠𝑠 𝐾𝐾
𝛥𝛥�̇�𝑆𝑟𝑟𝑒𝑒𝑟𝑟𝑒𝑒𝑒𝑒𝑠𝑠𝑓𝑓 = �̇�𝑚 𝑠𝑠2 − 𝑠𝑠1 +�̇�𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑇𝑇𝑓𝑓𝑠𝑠𝑎𝑎
−�̇�𝑄𝑒𝑒𝑒𝑒𝑓𝑓𝑒𝑒𝑇𝑇𝑓𝑓𝑠𝑠𝑎𝑎
𝐽𝐽𝑠𝑠 𝐾𝐾
“La Termodinámica es una materia divertida. La primera vez que laestudias, no la entiendes para nada. La segunda vez que la estudias,
crees que la entiendes, con excepción de uno o dos puntos. La terceravez que la estudias, sabes que no la entiendes, pero para ese
entonces estás tan acostumbrado a la materia, que ya no te preocupa”Arnold Sommerfeld
Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796-1832)
Bibliografía: Yunus A. Cengel. Temodinámica. Octava edición. 2015. Mc Graw Hill.
Manual de prácticas FI Termodinámica. Extraído el 4-mayo-2018 desde: http://dcb.fi-c.unam.mx/CoordinacionesAcademicas/FisicaQuimica/Termodinamica/materias/termo2015/practicas.pdf
Diapositiva 3. Imágenes extraídas de:
a) Primera imagen. http://tecno2aulavirtual.blogspot.com/2013/01/clase-n-1-ciclo-basico-de-refrigeracion.html
b) Segunda imagen. http://168.176.60.11/cursos/ingenieria/2017279/html/unidad_6/u_6_cont_4.html
c) Tercera imagen. http://oil-mail.blogspot.com/2011/05/sistema-de-levantamiento-artificial-por_437
Diapositiva 4. Imagen extraída de: https://www.gildardoyanez.com/tips/ciclo-de-refrigeracion/
Diapositiva 31. Imagen extraída de: https://en.wikipedia.org/wiki/Nicolas_L%C3%A9onard_Sadi_Carnot
Elaborado por:M. en I. David Israel Posadas Navarro
Revisado por:Jefe de Academia de Termodinámica:
Ing. Martín Bárcenas EscobarJefa de Academia de Laboratorios:Q. Antonia del Carmen Pérez León
Jefa de Departamento de Física y Química:Q. Esther Flores Cruz
Responsable de Laboratorio de Termodinámica:Ing. Alejandro Rojas Tapia
Profesores:M. en I. Abraham Martínez Bautista
M. en I. Omar de Jesús PérezI.Q. Miriam Arenas Sáenz
Ing. Ma. Guadalupe Pérez HernándezAyudante de profesor:
Miriam del Carmen Medina López