OPTIMIZACIÓN DE LA DISIPACIÓN DE CALOR EN PASTILLAS DE EFECTO PELTIER. APLICACIÓN EN REFRIGERACIÓN DOMÉSTICA

Autor: ASTRAIN ULIBARRENA DAVIDAño: 2001Universidad: PUBLICA DE NAVARRACentro de lectura: INGENIEROS INDUSTRIALESCentro de realización: ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Y TELECOMUNICACIONES

Resumen: en la presente tesis doctoral se ha realizado un estudio y optimización de la disipación de calor de una pastilla de efecto peltier con el fin de mejorar su eficacia. se ha realizado un estudio de la transmisión de calor en un disipador de aletas en contacto con la cara caliente de una pastilla peliter. para ello se ha implementado un modelo 3d de dinámica de fluidos computacional con el programa fluent. con esta herramienta se ha disminuido la resistencia térmica de este tipo de disipadores. por otro lado se ha diseñado y optimizado un termosifón con cambio de estado que ha permitido mejorar en más de un 36% la transmisión de calor de la pastilla peltier, empleando para ello distintas técnicas de cálculo y desarrollo, así como una optimización experimental, mediante construcción y ensayo de distintos prototipos hasta alcanzar valores próximos a los esperados por los cálculos y simulaciones. se ha diseñado un refrigerador doméstico con termoelectricidad y el dispositivo de cambio de estado desarrollado, así como otros dos termosifones más, uno para el lado frío y otro para el doble salto necesario para el congelador. mediante la construcción de dos refrigeradores termoeléctricos, uno con termosifón y el otro con un disipador de aletas, se ha podido conocer el incremento real alcanzado en el cop, que ha sido del 6.8%. también nos ha servido para conocer la precisión de los modelos empleados y de este modo, establecer un sistema de cálculo del cop de un refrigerador termoeléctrico. dado que estos prototipos se han construido partiendo de un refrigerador doméstico comercial, se ha establecido una comparación de resultados entre la tecnología termoeléctrica y la de compresión de vapor.

ALMACENAMIENTO TÉRMICO DE ENERGÍA MEDIANTE CAMBIO DE FASE. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Autor: ZALBA NONAY M. BELÉNAño: 2001Universidad: ZARAGOZACentro de lectura: CENTRO POLITÉCNICO SUPERIORCentro de realización: CENTRO POLITÉCNICO SUPERIOR DE INGENIEROS

Resumen: en esta tesis se investiga sobre almacenamiento térmico de energía aprovechamiento la entalpía de cambio de fase sólido-líquido de algunos materiales y las aplicaciones basadas en este fenómeno. es un tema de gran interés y actualidad dentro de ámbito de la tecnología energética, en relación con el ahorro de la energía, el uso eficiente y racional de los recursos y el óptimo aprovechamiento de las energías renovables. se realiza una importante revisión bibliográfica sobre almacenamiento de energía térmica mediante cambio de fase sólido - líquido, agrupando la información en tres aspectos: materiales, transferencias de calor y aplicaciones. a partir de esta revisión se extraen conclusiones sobre los problemas encontrados en la bibliografía al trabajar con modelos teóricos y simulaciones computacionales y la falta de trabajos experimentales. se plantea una línea alternativa y complementaria mediante trabajo experimental aplicada al estudio de la refrigeración gratuita. dicha aplicación consiste en almacenar "frío" (extraer la entalpía de solidificación de la sustancia) durante la noche y utilizar el almacenamiento térmico como sumidero de calor (productor de frío) durante las horas de máxima temperatura diurna, absorbiendo la sustancia almacenada el calor necesario para pasar a fase líquida. de este modo se consigue un efecto a refrigeración gratuita, aprovechable en los meses de verano y en las zonas geográficas con varieaciones importantes de temperatura entre el día y la noche. la principal aportación de esta tesis es el diseño, construcción y puesta en marcha de una instalación que permite analizar con suficiente precisión el proceso de transferencia de calor de un sistema acumulador que intercambia calor con aire. mediante un programa de ordenador se calcula y se representa gráficamente en tiempo real la evolución de la potencia intercambiada, la energía almacenada o desalmacenada por el sistema, las temperaturas más representativas, el caudal de aire y algunas otras variables auxiliares. se estudian materiales (aleaciones moleculares, alcanos, parafinas) con temperatura de cambio de fase sólio-líquido en el entorno a 20-25ºc y entalpías de cambio de fase alrededor de 170 kj/kg. la instalación construida se ha demostrado idónea como aparato de determinación de las curvas entalpía-temperatura en torno al cambio de fase cuando éste se encuentra en el intervalo de 15 a 30ºc y con velocidades de cambio de temperatura del orden de 1k/hora, con la ventaja de que tanto el tamaño de las muestras como las condiciones de ensayo coinciden, con las habituales en la aplicación a desarrollar. la metodología empleada consiste en la realización sistemática de experimentos mediante un conjunto de técnicas estadísticas denominadas diseño de experimentos, a continuación mediante contraste de significación o contraste de hipótesis se determinan las variables e interacciones significativas y a partir de ellas mediante análisis de regresión múltiple se calcula un modelo empírico que permite determinar el tiempo de fusión o solidificación en función de las variables libres de diseño (temperatura y caudal del fluido caloportador y geometría del almacenamiento). a partir de este modelo se obtiene

representaciones gráficas muy útiles para el diseño de instalaciones reales de refrigeración mediante acumulación de energía térmica. en definitiva, se han puesto en marcha la infraestructura y la metodología necesarias para abordar muchos otros trabajos experimentales. se plantean algunas líneas de continuación de este trabajo, en especial, mejoras de conductividades térmicas embebiendo el material de cambio de fase (pcm) en matrices metálicas o matrices de grafito.

ESTUDIO DE LA POTENCIA ABSORBIDA POR UN COMPRENSOR VARIABLE. RELACIONES ENTRE LA CLIMATIZACION DEL AUTOMOVIL Y EL CALCULADOR DE INYECCION MOTOR.

Autor: FERNANDEZ ALVAREZ ANTONIO JOSE Año: 2000Universidad: VALLADOLIDCentro de lectura: INGENIEROS INDUSTRIALESCentro de realización: ESCUELA TECNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

Resumen: en la tesis se hace una definicion de una cartografia que proporcione la potencia consumida por los compresores de cilindrada variable que equipan los vehiculos dotados de sistemas de climatizacion. el trabajo comienza con el analisis del estado actual del arte, en donde se pone de relieve las limitaciones de los sistemas de climatizacion utilizados hasta el dia de hoy, para posteriormente centrarse en el desarrollo del sistema para el calculo de la potencia absorbida, y la puesta en evidencia de las mejoras que aporta este nuevo concepto en los sistemas de climatizacion. en una primera parte, a partir de la definicion de la ley que gobierna la regulacion de cilindrada del compresor en estudio, que relaciona los valores de presion en la succion y descarga sobre este dispositivo de comprension, se obtiene una expresion de la potencia sustraida del motor termico en funcion de estos dos parametros del circuito "frio" de la climatizacion automovil. los resultados obtenidos con este primer modelo, son buenos en estacionario, sin embargo en situaciones de carga termica no estacionarios (rampas de temperatura principalmente) estan alejados de la situacion real medida. analizando la respuesta del sistema para situaciones no estacionarias, se encontro la influencia del caudal del refrigerante en circulacion (para presión de descarga y regimen de compresor constante) sobre la potencia absorbida. dado que este caudal es un parametro no disponible en los sistemas actuales, se decide incluir en el modelo un tercer factor que integrase de

forma indirecta dicha influencia: el caudal de aire que atraviesa el evaporador. dentro de la instalacion experimental desarrollada para la obtencion de los datos termodinamicos del sistema, se incluye un metodo para la medida de la potencia absorbida por el compresor, midiendo el par a traves de microdeformaciones dinamicas en la polea de arrastre del comprensor. una estimacion de la potencia, con una precision suficiente en todo tipo de condiciones de utilizacion, es fundamental para el establecimiento instantaneo del ajuste de los diferentes parametros de inyeccion para la optimizacion del comportamiento del vehiculo bajo los aspectos de economia de carburante y de confort de la conduccion (a traves de la reduccion de "tirones").

DISEÑO, SIMULACION, CONSTRUCCION Y EVALUACION DE UN PROTOTIPO DE SISTEMA DE REFRIGERACION POR ABSORCION CON NH3-H20 PARA LA PRODUCCION DE FRIO EN BARCOS DE PESCA, ACCIONADO CON LA ENERGIA TERMICA RESIDUAL RECUPERADA DE LOS MOTORES.

Autor: FERNANDEZ SEARA JOSEAño: 1998Universidad: VIGOCentro de lectura: INGENIEROS INDUSTRIALES

Resumen: el objetivo de la tesis es la realización de un estudio teórico y experimental de un sistema de refrigeración por absorción con nh3-h20 accionado por la energía térmica residual recuperada de los motores. el análisis de las necesidades de frío así como de la disponibilidad de residuos térmicos en los distintos barcos de pesca ha permitido seleccionar los barcos arrastreros de fresco como los más adecuados. así se propone el ciclo de absorción simple como el más adecuado, en base a los niveles térmicos requeridos en la bodega 0 c, la temperatura del agua de mar usada para el enfriamiento del absorbedor y condensador, 32 c, y la temperatura de los gases de escape, entre 300 y 450 c. el estudio del funcionamiento del ciclo mediante simulación numérica ha permitido conocer las condiciones de operación bajo las cuales opera el ciclo así como optimizar su funcionamiento. asimismo se ha desarrollado un modelo de cálculo de los componentes del sistema de absorción con objeto de dimensionar y simular su funcionamiento. sobre estas bases se ha construído un prototipo experimental de 5 kw de potencia frigorífica, que como novedad incorpora un absorbedor multitubular vertical. el estudio experimental del prototipo construído confirma la viabilidad técnica del sistema propuesto y el interés del mismo.

ESTUDIO COMPARATIVO ENTRE LOS REFRIGERANTES CFC-12, HFC-134A Y HC-600A EN UN REFRIGERADOR CONGELADOR

DOMESTICO DE ULTIMA GENERACION.

Autor: ERREA AMOSTEGUI JUAN M.Año: 1998Universidad: PUBLICA DE NAVARRACentro de lectura: INGENIEROS INDUSTRIALESCentro de realización: UNIVERSIDAD PUBLICA DE NAVARRA

Resumen: una vez realizada la revision historica y mediambiental en la refrigeracion domestica con la desaparicion del cfc-12 por el acuerdo del "protocolo de montreal" se analizan las soluciones encontradas, hfc-134a y hc-600a en su efecto invernadero directo e indirecto y la inflamabilidad del hc-600a y su imfluencia en el diseÑo del refrigerador. como resultado de las investigaciones realizadas y los ensayos experimentales de carga optima, velocidad de enfriamiento y carga vacia realizados, se concluye con la tesis de que, una vez controlado el problema de la inflamabilidad por un diseÑo adecuado y procedimientos acordes de servicio, con un cumplimiento estricto de las normas, el refrigerante hc-600a es superior (mejor) medioambientalmente (efecto directo e indirecto).

BASES PARA EL ESTABLECIMIENTO DE UN SISTEMA EXPERTO PARA DIAGNOSTICO Y RESOLUCION DE LOS PROBLEMAS DE USO DE LAS INSTALACIONES DE CLIMATIZACION.

Autor: GARCIA SANCHEZ CARLOSAño: 1996Universidad: NACIONAL DE EDUCACION A DISTANCIACentro de lectura: INGENIEROS INDUSTRIALESCentro de realización: DEPARTAMENTO: MAQUINAS Y MOTORES TERMICOS (INGENIERIA ENERGETICA)

Resumen: el objetivo de la tesis es el de facilitar las tareas de mantenimiento y operacion de los edificios avanzados. para ello, se establecen un conjunto de bases operacionales que permitiran construir un sistema experto, que unido al sistema de control de la instalacion de climatizacion de un edificio avanzado sera capaz de diagnosticar los problemas que surgen en su uso. el sistema experto dispondra de un subsistema para la adquision de datos, fundamental para la captacion de: la sintomatologia de las disfunciones y sus correspondientes probabilidades. las bases del sistema experto quedaran establecidas por:

descripcion del problema de uso y sus sintomas, algoritmos de relacion, diagramas de bloques y bases de datos.

MODELADO DE CONDENSADORES Y EVAPORADORES Y DEL CICLO GLOBAL EN SISTEMAS DE AIRE ACONDICIONADO DE AUTOMOCION

Autor: ABDUL RAHMAN ALI AWFAño: 1994Universidad: VALLADOLIDCentro de lectura: INGENIEROS INDUSTRIALESCentro de realización: DEPARTAMENTO: INGENIERIA ENERGETICA Y FLUIDOMECANICA PROGRAMA DE DOCTORADO: MECANICA APLICADA E INGENIERIA TERMICA

Resumen: en la presente tesis se modelan los intercambiadores de calor (condensador y evaporador) del ciclo de refrigeracion por comprension de vapor. los modelos incluyen las ecuaciones de calculo de las propiedades termofisicas de los refrigerantes utilizados habitualmente en los equipos de aire acondicionado en automocion (cfc12 y hfc134a). en los modelos se considera la variacion de presion del refrigerante a lo largo del intercambiador. tambien se modela el funcionamiento de la valvula de expansion termostatica del sistema de aire acondicionado en automocion. se incluye un modelo de un tipo de compresor (alternativo de 7 pistones). todos los modelos se han validado con resultados experimentales. a partir de los modelos anteriores se desarrolla un modelo del ciclo global de aire acondicionado, que tambien ha sido validado con resultados experimentales recopilados por el autor de la tesis.

INTERCAMBIO RADIANTE ATMOSFERICO APLICADO A LA REFRIGERACION NATURAL DE EDIFICIOS

Autor: HASSAN DANOOK SUADAño: 1992Universidad: SEVILLACentro de lectura: INGENIEROS INDUSTRIALESCentro de realización: DEPARTAMENTO: INGENIERIA ENERGETICA Y MECANICA DE FLUIDOS. PROGRAMA DE DOCTORADO: INGENIERIA ENERGETICA Y FLUIDOMECANICA

Resumen: el objetivo de la presente tesis ha sido desarrollar un modelo matematico general de la radiacion atmosferica que con variables facilmente accesibles, sea capaz adaptarse a las diferentes condiciones de la atmosfera, y contribuya a mejorar el conocimiento del intercambio radiante con la superficie de

la tierra. un segundo objetivo es el desarrollo a partir del modelo de correlaciones con el fin de permitir el estudio de aplicaciones de refrigeracion natural de edificios.

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Introducción a la Refrigeración Termoeléctrica

Un refrigerador termoeléctrico es un tipo especial de semiconductor que funciona como una bomba de calor. Aplicándole una tensión continua, el calor será desplazado en la dirección de la corriente (del + hacia el -). El calor es “bombeado” de una cara del módulo a la otra, de manera que una estará fría y la otra caliente, y el efecto es reversible. Esto es conocido también como el Efecto Peltier y es muy utilizado en aplicaciones militares y aerospaciales que necesitan refrigerar componentes sensibles a la temperatura sin necesidad de Freón o compresores. El efecto Peltier fue descubierto en 1834. Cuando la corriente pasa a través de una unión de dos diferentes tipos de conductores produce un cambio de temperatura. Sin embargo, la aplicación práctica de este concepto requiere el desarrollo de semiconductores que sean buenos conductores de la electricidad y pobres conductores del calor - el equilibrio perfecto para las características TEC (Termoeléctricas). Hoy en día se utiliza principalmente el Telurido de Bismuto como material semiconductor, dopado fuertemente para crear un exceso (tipo-n) o una deficiencia (tipo-p) de electrones.

Qué es un refrigerador Peltier y cómo funciona ?

Un refrigerador Peltier es un refrigerador que utiliza un elemento Peltier. Un elemento Peltier se puede describir como “una bomba de calor” - que bombeará el calor de una cara a la otra del elemento. Esto significa que un elemento Peltier tiene una cara fría y otra de caliente. Para realizar esto el elemento Peltier utiliza la electricidad - bastante cantidad por cierto. Esto indica también que en adición al bombeo de calor, el elemento Peltier actualmente produce calor - en conjunto, el sistema trabajará caliente, pero el elemento Peltier refrigerará donde sea necesario - en el CPU. Normalmente, la diferencia de temperatura entre el lado caliente y el frío es de alrededor de 70 grados, con algunos elementos Peltier de altas características esta diferencia puede alcanzar los 120 grados.

Qué hay de especial en los elementos Peltier ?

Los buenos refrigeradores Peltier refrigeran significativamente mejor que los convencionales disipadores, siendo muy adecuados para el overclocking. Es importante subrayar que el disipador de un refrigerador Peltier estará mas caliente que un disipador de un refrigerador convencional, debido al calor añadido que produce el propio elemento Peltier.

Peligros de los refrigeradores Peltier

Si bien un refrigerador Peltier puede ser una perfecta solución térmica, si su diseño es insuficiente o los ventiladores están instalados inadecuadamente puede ser peligroso. He aquí relacionados algunos de los peligros:

- Sobrecalentamiento: Los refrigeradores Peltier vienen con un disipador y un ventilador. Si el ventilador falla, esto es mas peligroso que con un disipador convencional. Debido a que el calor del elemento Peltier, puede freír su CPU. También debe asegurarse de la ventilación adecuada del sistema. Un refrigerador Peltier añadirá calor al sistema - otras unidades sensibles al calor como discos duros deben ser refrigerados adecuadamente. Asegúrese que no haya cables de impidan la libre circulación del aire o cubran el ventilador. Como con otros refrigeradores, deberá utilizar algún componente termal.

- Problemas eléctricos: El elemento Peltier consume una potencia eléctrica importante, posiblemente mas de lo que pueda suministrar su fuente de alimentación. Esto es especialmente un problema al arrancar un sistema: Mientras sus discos duros alcanzan velocidad, estos utilizan mas potencia, y si el Peltier inicia consumiendo esta potencia al principio, esto puede ser un problema. Los buenos refrigeradores Peltier resuelven este problema arrancando los elementos Peltier después de cierto tiempo, cuando el CPU está caliente. Otro problema puede ser el cableado eléctrico del elemento Peltier - si es demasiado fino (como algunos Peltiers baratos). Este puede no ser suficiente para poder con los requerimientos del Peltier y se sobrecalentará. También, observe que el refrigerador Peltier debe tener una línea dedicada desde la fuente de alimentación. No deje que el Peltier comparta una línea con un disco duro, floppy, etc.

- La Condensación de agua es especialmente un problema cuando utiliza su ordenador en un ambiente húmedo. Cuando su CPU funciona muy frío (en segundos o minutos después de la puesta en marcha), puede enfriarse por debajo de la temperatura de la habitación, y esto produce condensación en el CPU, en el zócalo, y debajo del zócalo. Los buenos Peltiers resuelven este problema haciendo funcionar el elemento Peltier sólo después de que el CPU alcance una cierta temperatura. La condensación es un problema a considerar, pero no sobrestimar su importancia. Un cortocircuito debido a la

condensación es muy improbable, especialmente a partir de agua condensada, pues conduce muy mal la electricidad (casi no contiene iones).

- El elemento Peltier debe tener el tamaño adecuado. Si el elemento Peltier sólo cubre una parte del CPU (algunas veces hay un problema con el CPU que tiene una pequeña placa metálica en el medio, por ejemplo el Pentium-200 MMX), entonces puede ocurrir la condensación. Si el elemento Peltier es demasiado pequeño (como el caso del K6, que tiene una gran placa metálica), entonces la refrigeración puede ser inadecuada.

Cuando ocurre la condensación exactamente ?

Si en un elemento Peltier ocurre o no la condensación, depende de tres factores : La temperatura ambiente, la humedad del aire, y la temperatura del objeto refrigerado (P.E. CPU o lado frío del elemento Peltier). El aire caliente y húmedo dentro de la caja del ordenador, es el problema mas probable para producir condensación.

- Unos ejemplos de condensación:

Temperatura ambiente de 20º C y humedad del aire de 65% Resultado: Habrá condensación en una superficie de 13,2º C de temperatura (CPU, refrigerador Peltier) Si la temperatura ambiente es de 25º y la humedad del aire es de 90% se producirá la condensación a una temperatura de 23,2º C. Y si la temperatura ambiente es de 30º y la humedad del aire del 90% la condensación se producirá a los 28,2º C.

Qué es un Refrigerador Peltier “último grito” ?

Bien, si se utiliza adecuadamente, un buen refrigerador Peltier puede ser una excelente solución. Si se utiliza inadecuadamente, o es de baja calidad, entonces puede causar problemas o hacer peligrar la integridad de su sistema.

Hasta cuando dura un elemento Peltier ?

Un elemento Peltier por si mismo dura mucho tiempo. De hecho he escuchado a gente que utiliza Peltier durante muchos años sin problemas. Es poco probable que el elemento Peltier deje de funcionar; sin embargo, como con otros disipadores, el ventilador si que puede dejar de funcionar - y este es el mayor problema. Asegúrese que el refrigerador que compre (si compra alguno) incluya una alarma de temperatura.

Aletas 

DISIPACIÓN DE CALOR A TRAVÉS DE ALETAS

Equipo diseñado y construido íntegramente en nuestro laboratorio

Objeto: 

Analizar el comportamiento de una aleta recta de sección constante sometida a convección-radiación. Obtener el perfil de temperaturas longitudinal en la aleta y compararlo con los resultados teóricos. Calcular el flujo de calor transmitido así como la eficiencia de aleta.

Material:

El banco de ensayo es de diseño propio, y está compuesto por una varilla recta de aleación de aluminio de 350 mm de longitud efectiva y 10 mm de diámetro que está calefactada en uno de sus extremos (base de la aleta) por una resistencia eléctrica. La varilla simula una aleta en forma de aguja cilíndrica que se encuentra en posición horizontal, suspendida en voladizo desde el extremo calentado. Un ventilador de flujo variable permite modificar el valor del coeficiente de convección en la superficie de la aleta.

La potencia suministrada a la resistencia eléctrica puede variarse mediante un reóstato, por lo que se pueden obtener distintas temperaturas en la base de la aleta.

Las temperaturas en distintos puntos de la aleta y la temperatura ambiente se miden mediante termopares tipo K conectados al instrumento de medida. En este caso el instrumento utilizado es un data-logger que permite la transmisión de datos a un PC, en el que de manera gráfica se pueden observar la evolución de las temperaturas en tiempo real, y determinar el instante a partir del cual el régimen se puede considerar permanente.

Se dispone de seis termopares en la varilla espaciados cada 7 cm, que toman la temperatura superficial de la aleta. Para asegurar un buen contacto térmico termopar-varilla se ha utilizado pasta térmica de transmisión del calor. Hay además un termómetro adicional para medir la temperatura ambiente.

Fundamento teórico:

Las aletas son superficies adicionales o extendidas que se instalan para incrementar el flujo calorífico desde un determinado componente hacia el medio que le rodea. Sobretodo se utilizan cuando el coeficiente de convección (h) entre el sólido y el medio fluido es bajo, caso éste muy habitual en la transmisión de calor a gases y muy especialmente cuando se utiliza la convección natural.

El bajo coeficiente de película se compensa con un aumento en el área expuesta al fluido.

Las formas que adoptan las aletas son muy variadas, y dependen en gran medida de la morfología del sólido y de la aplicación concreta. La aleta se denomina "aguja" o "pin" cuando la superficie extendida tiene forma cónica o cilíndrica. La expresión "aleta longitudinal" se aplica a superficies adicionales unidas a paredes planas o cilíndricas. Las "aletas anulares" van unidas coaxialmente a superficies cilíndricas (tuberías generalmente).

Al colocar aletas sobre una superficie primaria, la temperatura superficial media del conjunto resulta ser menor, por lo que al reducir la diferencia media de temperatura entre la superficie y el fluido, puede ocurrir que el aumento de superficie no produzca un incremento notable en el flujo de calor disipado o incluso que éste disminuya, es decir, que las aletas aíslen térmicamente la superficie. Resulta importante pues, determinar el campo de temperaturas resultante al instalar las aletas.

Método operativo:

Conectar la alimentación eléctrica y ajustar los reóstatos a la posición deseada. Dejar transcurrir el tiempo necesario hasta que todas las temperaturas sean estables, es decir, hasta que se alcance el régimen permanente en la transmisión del calor. Se pueden ahora

anotar las temperaturas en los distintos puntos de la aleta y la temperatura ambiental. Repetir el ensayo a otra temperatura de base en la aleta o con convección forzada.

Datos útiles:

- Material de la aleta: Aleación de aluminio

- Diámetro, D: 10 mm

- Longitud, L: 350 mm

- Conductividad térmica, k: 164 W/mºC

- Coeficiente medio de convección o de película - h - para aire en calma :

Experimentalmente se ha comprobado que 12 < h < 15 W/m2 ºC. Este coeficiente es en realidad de convección-radiación. Se puede despreciar la convección en el extremo (he ), puesto que la aleta tiene el extremo aislado.

Trabajo de gabinete

Realizar el informe del ensayo según las normas generales de los siguientes apartados:.

1º Estimar el coeficiente de convección medio (h) al que está sometida la aleta.

2º Representar en una gráfica el perfil de temperaturas obtenido y el perfil de temperaturas calculado mediante las expresiones de:

a) Aleta aislada en el extremo.

b) Aleta de longitud infinita. Determinar el error máximo ( cometido respecto del caso anterior.¿Qué longitud mínima debería tener la aleta para poder considerarla en la práctica como aleta de longitud infinita?

Nota: el empleo de calculadoras programables o con funciones hiperbólicas simplificará mucho el trabajo.

3º Calcular analíticamente el calor transmitido por la aleta. Suponer extremo aislado.

a) Calor disipado en toda la aleta.

b) Calor disipado en los últimos 17'5 cm de aleta.

c) Calor disipado en los primeros 17'5 cm de aleta.

Para el apartado b), obtener también la solución por métodos gráficos, trazando la recta tangente y calculando su pendiente en el punto solicitado de la curva de perfil de temperaturas (derivada).

4º Calcular analíticamente el rendimiento de la aleta (a ) y el valor del coeficiente de disipación (. Comparar los resultados con los obtenidos a través de las gráficas disponibles en el anexo. Para obtener altos coeficientes de disipación, ¿cómo interesa que sean los valores de k y de h?

5º Calcular por integración gráfica la diferencia de temperatura media entre la aleta y el ambiente. Comparar este resultado con el obtenido utilizando la expresión de a

6º Calcular por métodos numéricos (aproximación por diferencias finitas), las temperaturas en los nodos 2, 3, y 4 y el calor transmitido en los últimos 6 cm de aleta. Tomar como dato la temperatura en x= 29 cm.

Utilizar también el método analítico, y determinar el error cometido (en el cálculo del calor disipado.

 

Práctica Virtual:

Hay posibilidad de trabajar sobre una simulación informática del comportamiento de éste equipo, de forma que el alumno pueda "jugar" con el equipo sin limitaciones, pudiendo modificar parámetros que no se podrían variar sobre el equipo real de laboratorio. No es necesario ceñirse a una sola unidad de prácticas.  Enlace al Laboratorio Virtual.

Este software está diseñado para obtener el máximo provecho al trabajo práctico en los estudios técnicos, y proporciona tanto ayuda en línea como información adicional para que el alumno pueda relacionar más estrechamente la teoría y la práctica.

INTERCAMBIADOR DE CALOR DE CARCASA Y TUBOS

Equipo diseñado y construido íntegramente en nuestro laboratorio

 Objeto: 

Estudio del comportamiento de un cambiador de calor de carcasa y tubos. Determinación de su coeficiente global de transmisión de calor, DMLT, F, eficiencia, NUT, y pérdidas de carga.

Material

Banco de ensayos de cambiadores de calor, compuesto por un intercambiador de calor con tres pasos por los tubos y uno por la carcasa, depósito calentador del fluido caliente, bomba de circulación, rotámetros, termómetros y válvulas de paso.

Fundamento teórico:

El papel de los intercambiadores térmicos ha adquirido una creciente importancia recientemente al empezar a ser conscientes los técnicos de la necesidad de ahorrar energía. En consecuencia se desea obtener equipos óptimos, no sólo en función de un análisis

térmico y rendimiento económico de lo invertido, sino también en función del aprovechamiento energético del sistema

Un cambiador de calor consiste en un límite sólido, buen conductor, que separa dos fluidos que se intercambian energía por transmisión de calor.

Una de las primeras tareas en el análisis térmico de un cambiador de calor de carcasa y tubos consiste en evaluar el coeficiente global de transmisión de calor entre las dos corrientes fluidas.

En el caso de intercambiadores de carcasa y tubos, el coeficiente global de transmisión de calor (U) se basa en la superficie exterior Ae de los tubos.

Como la pared es delgada y de material buen conductor del calor, su resistencia térmica es despreciable (a menos que esté recubierto de costra o suciedad).

- Cálculo de los coeficientes de convección

El análisis de la convección en una capa límite es compleja, por lo que es frecuente el empleo del análisis dimensional o técnicas analógicas.

La obtención del coeficiente de película se realiza por correlación derivada del análisis dimensional

 Nu es el número de Nusselt

Pr es el número de Prandtl

Re es el número de Reynolds

l es una longitud característica

h es el coeficiente de película

K coeficiente de conductividad térmica del fluido

c es la velocidad media

El coeficiente de convección está contenido en el número de Nusselt, y para que h pueda ser determinada, es necesario experimentar para obtener los valores de las constante y de los exponentes a y b para cada caso particular.

El criterio que decide si el flujo es laminar o turbulento en convección forzada es el valor del número de Reynolds:

Para un tubo: Re < 2300 laminar   Re > 2300 turbulento

Cuando se utiliza cualquier ecuación empírica ha de tenerse mucho cuidado en utilizar las temperaturas prescritas para determinar las propiedades de los fluidos.

 

Diferencia media logarítmica de temperatura (DMLT)

F es un coeficiente corrector que se introduce en el caso de cambiadores de varios pasos o de formas complejas.

- Método NUT para cambiadores de calor

La expresión Q=FUA*(DMLT) resulta muy conveniente cuando se conocen todas las temperaturas terminales necesarias para el cálculo de la temperatura media apropiada. Sin embargo, se presentan numerosas ocasiones en que se conoce, o al menos puede estimarse el valor de U, pero se desconocen las temperaturas terminales de los fluidos que salen del intercambiador. En estos casos, es preferible utilizar el método NUT al señalado anteriormente. NUT (Número de unidades de transmisión).

Cuanto mayor es el NUT, más estrechamente tiende el intercambiador a su valor límite termodinámico. La relación entre están representadas en gráficos para la mayoría de los montajes de interés práctico.

- Pérdida de carga en el lado de los tubos

 

Método operatorio:

Elegir los caudales de agua caliente y agua fría. Esperar a la estabilización de las temperaturas. Anotar las indicaciones de caudales pérdida de carga y temperaturas.

Repetir el ensayo con varias combinaciones de caudales diferentes.

Entre el máximo y mínimo caudal de agua caliente, tomar los datos de pérdida de carga.

 

Trabajo de gabinete:

A partir de los datos de que dispongamos y de los que hayamos obtenido por medición directa, se hallará U, DMLT, F, , Cmin/Cmax, y NUT. Tener en cuenta las fugas de calor.

Comparar los resultados de la pérdida de carga calculada con los datos experimentales y dibujar una gráfica en la que se represente la pérdida de carga real en función del caudal de agua caliente.

Analizar los resultados obtenidos y realizar el informe de la práctica según las normas generales de elaboración de informes de laboratorio.

- Datos del intercambiador de calor útiles

Número de pasos por tubería: 3

Número de pasos por la carcasa: 1

Número de tubos: 62

Material de los tubos: Latón (K=111 W/mK)

Diámetro exterior tubos 7 mm

Diámetro de la carcasa 80 mm

Diámetro interior tubos: 6 mm

Longitud de tubo: 180 mm

La ubicación de los intercambiadores de calor en procesos de corrientes calientes y frías se puede analizar por medio de técnicas de Integración Energética. Pinche en el sigiente vínculo para ver un ejemplo desarrollado

Práctica Virtual

Existe la posibilidad de trabajar sobre una simulación informática del comportamiento de éste equipo, de forma que el alumno pueda "jugar" con el equipo sin limitaciones, pudiendo modificar parámetros que no se podrían variar sobre el equipo real de laboratorio. No es necesario ceñirse a una sola unidad de prácticas. 

 

Este software está diseñado para obtener el máximo provecho al trabajo práctico en los estudios técnicos, y proporciona tanto ayuda en línea como información adicional para que el alumno pueda relacionar más estrechamente la teoría y la práctica. Enlace al Laboratorio Virtual.

 

CÁMARA FRIGORÍFICA

Equipo diseñado y construido en nuestro laboratorio 

Objeto: 

Familiarizar al alumno con las instalaciones de refrigeración industriales.

Analizar la morfología  de una instalación de refrigeración y de sus componentes principales. Identificar los distintos elementos que conforman tanto circuito frigorífico como la parte eléctrica y el circuito de control, y realizar un esquema de la instalación.

Cálculo del coeficiente de operación de la máquina. en distintas condiciones de funcionamiento

 

Material:

Banco de ensayo de sobremesa compuesto por una cámara frigorífica con evaporador de corriente forzada alimentado por válvula de expansión termostática, unidad condensadora de 1/4 CV. Panel de acceso transparente y calefactado. Circuito frigorífico con R-22 dotado de intercambiador de calor y válvula solenoide.

 Control programador para sistemas de refrigeración. Sistema de desescarche del evaporador. Presostatos de alta y baja presión. Instrumentación necesaria para la medida de la potencia consumida por el compresor, gasto de refrigerante, y temperaturas y presiones en distintos puntos de la instalación. Multiregistrador electrónico (data-logger) para seguir la evolución en el tiempo de diversos parámetros y permitir su análisis on-line o posterior. Panel de control con interruptores de función y "generador de averías". Este banco de ensayos es de diseño y construcción propia.

Fundamento teórico (temas previos):

- Transmisión de calor

- Aislamiento térmico

- Ciclos frigoríficos de compresión de vapor

- Fluidos refrigerantes

- Cálculo de cargas térmicas

- Procesos psicrométricos (baja temperatura)

- Cámaras frigoríficas

- Control automático e instrumentación.

 

Método operatorio:

Difiere según la asignatura de referencia. Se remite al alumno al guión de prácticas correspondiente

Trabajo de gabinete:

Analizar los resultados obtenidos y realizar el informe de la práctica según las normas generales de elaboración de informes de laboratorio.

Turbina de Acción

Objeto: 

Ensayo de una turbomáqina axial, desde el punto de vista mecánico y térmico

 

ENSAYO DE TURBINAS DE ACCION. CURVAS CARACTERISTICAS.

 

INTRODUCCION

Las turbinas son máquinas que desarrollan par y potencia en el eje como resultado de la variación de la cantidad de movimiento del fluido que pasa a través de ellas.

Dicho fluido puede ser un gas, vapor o líquido, si bien las notas que se dan a continuación son aplicables a turbinas que operan con gas o vapor.

Para que el fluido alcance la alta velocidad requerida para que se produzcan variaciones útiles en el momento, debe haber una diferencia importante entre la presión a la entrada a la turbina y la de escape.

Como fuentes de gas presurizado cabe mencionar un gas previamente comprimido y calentado, como sería el caso de una turbina de gas, o en la turbina de un turbosobrealimentador de un motor de C.I. En la industria de generación de electricidad es

muy frecuente el uso de vapor generado en calderas a alta presión que utilizan combustibles sólidos o nucleares para mover los alternadores accionados por turbinas de vapor.

Existen numerosos tipos de turbinas, desde la más elemental utilizada en el buril de un dentista, hasta las grandes turbinas multiexpansión empleadas en las centrales energéticas, que pueden llegar a desarrollar hasta 1000 MW.

La turbina que vamos a ensayar se trata de una "turbina de acción simple monoexpansiva y de flujo axial".

"Simple" por ser una turbina sin complicaciones tales como la doble expansión de acción.

"Monoexpansiva" se refiere a que sólo tiene un escalonamiento.

"De flujo axial" significa que el fluido entra y sale del rotor al mismo radio, y sin componentes radiales de importancia en su velocidad.

Finalmente "de acción" indica que la caída de presión del fluido y su consiguiente aumento de velocidad, tiene lugar en el estator, es decir, en las toberas. Por tanto, el fluido pasa a través del rotor a una presión casi constante, produciéndose solamente un cambio en su velocidad.

Aplicación de la Primera ley de la Termodinámica

El diagrama representa una turbina a través de la cual pasa una unidad de masa de fluido en condiciones de flujo estacionarias. La presión, entalpía específica y velocidad del fluido, varían a su paso por la máquina. al tiempo que fluye la unidad de masa fluida, tiene lugar una transferencia de trabajo y calor.

Normalmente, la velocidad en la tubería de entrada y de salida es parecida, y baja en comparación de las velocidades dentro de la turbina, por lo que

q = h2 - h1 + w

En la práctica, las turbinas son máquinas compactas que trabajan a altas velocidades másicas, y aunque se produzca una transferencia de calor, la transferencia de calor por unidad de masa unitaria suele ser lo bastante pequeña como para poder despreciarse.

Por consiguiente w = h1 - h2

Expansión isentrópica

La expansión en una turbina ideal se produciría sin pérdida o ganancia de calor (es decir, adiabática) y sin ninguna disipación de la energía disponible debido a la fricción, el estrangulamiento, etc. (es decir, reversible). Un proceso reversible y adiabático es isentrópico (entropía constante).

Si se representa dicha expansión en un diagrama de entalpía - entropía, se puede determinar la transferencia ideal de trabajo.

 

Rendimiento isentrópico

Debido a las irreversibilidades de una auténtica turbina, la transferencia real de trabajo será menor que en una máquina ideal, y por lo tanto, la entalpía específica de salida será mayor que h2´. Los estados finales de una turbina real serán los siguientes, pudiéndose observar la disipación de energía disponible.

Rendimiento global

Las pérdidas de energía en una turbina de acción son:

- Fricción del fluido en el estator (toberas).

- Fricción del fluido en los pasajes del rotor (álabes).

- Pérdidas de fluido en las puntas de los álabes o en las juntas.

- Fricción entre el rotor y el fluido.

- Pérdidas por ventilación.

- Energía cinética rechazada en el rotor.

Debido a la variación de entalpía a través de la turbina, la temperatura de escape estará normalmente por debajo de la del ambiente, por lo que habrá la correspondiente transferencia de calor a la caja.

Puesto que la turbina funciona a base de aire, resulta útil emplear un diagrama de temperatura - entropía y calcular la variación de entalpía.

Material:

DESCRIPCION

Unidad de sobremesa que aloja una turbina de acción de flujo axial monoexpansiva que opera a base de aire. Lleva instalado un dinamómetro y todos los controles e instrumentos necesarios para evaluar el funcionamiento y rendimiento de la turbina.

Turbina

De acción monoexpansiva y flujo axial, velocidad hasta 50.000 r.p.m., potencia aproximada 50 W a 25.000 r.p.m. con aire a 60 kN/m2 .

Rotor

Latón con sujección de acero inoxidable. 45 álabes en un círculo de 45 mm de diámetro medio. Angulo de entrada y salida de los álabes 40º. altura del álabe 4.25 mm. Momento de inercia de las partes móviles: I=30 x 10-6 kg m2.

Toberas

Cuatro de tipo convergente, cada una con válvula de aislamiento.2 mm de diámetro. Angulo de descarga 20º al plano de rotación.

Cojinetes

Rodamientos de bolas con lubricación por aceite.

Dinamómetro

Medidor de fuerza y correa que operan sobre la rueda de freno enfriada por aire. Radio efectivo (radio de la correa + la mitad del espesor de la correa) = 14.5 mm.

Filtro - regulador

Filtra y estabiliza la presión del aire a la entrada.

 

Instrumentos

Temperatura

Indicador digital, termopares tipo K para temperatura de entrada y salida.(-50 a 1200ºC) precisión 0.1 ºC.

Gasto de aire

Flujómetro de cristal de área variable. Límites de 1 a 9 g / s.

Velocidad

Sensor óptico e indicador de 5 dígitos. límites de 0 a 99999 r.p.m.

Presión

Manómetro. Límites de 0 a 100 kN / m2.

Seguridad

Válvula de descarga de seguridad que impide la sobrepresión y consiguiente sobrevelocidad de la turbina. grueso anillo de protección alrededor del rotor.

PRECAUCIONES

- Al igual que cualquier máquina de alta velocidad, la turbina debe tratarse y utilizarse con sumo cuidado. Si se producen ruidos o vibración inusual, debe cerrarse inmediatamente la válvula de admisión.

- La velocidad continua máxima de la turbina es de 40.000 rpm, si bien puede funcionar a 50.000 rpm durante un breve periodo de tiempo.

- Con la turbina parada, puede retirarse la caja de escape para examinar detenidamente la turbina. Siempre que la turbina esté en funcionamiento la caja de escape ha de estar cerrada.

- Los cojinetes deben lubricarse regularmente.

 

NOTAS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO

Tacómetro

El tacómetro cuenta el número de revoluciones hechas por la turbina a intervalos de 0.8 segundos, por lo que éste se actualiza transcurrido este tiempo. Pequeños cambios de presión o de la temperatura del aire harán que varíen los dos, o posiblemente los tres últimos dígitos. Se recomienda ignorar los dos últimos dígitos sustituyéndolos por 00.

 

Medición del gasto de aire

La velocidad másica del aire se obtiene leyendo la escala del tubo de cristal contra la cara superior de la boya. El valor de la escala es correcto para una densidad del aire de 1.2kg/m3. Para otras densidades, el valor observado deberá multiplicarse por el factor de corrección de rotámetro (k) obtenido del gráfico pegado al panel.

Medición de la temperatura

El conmutador que se encuentra bajo el indicador de temperatura permite seleccionar la temperatura del aire en el tubo de entrada o de salida. En las pruebas en que la temperatura sea importante, debe darse tiempo a que ésta se estabilice.

PREPARACION

A) Asegurarse de que la correa de freno esté bien montada sobre las dos poleas y el medidor de fuerza. aflojar el tornillo tensor para que la correa quede suelta.

B) Asegurarse de que la caja de escape esté en su posición y los clips cerrados.

C) Lubricar los cojinetes con 4 gotas de aceite.

D) Verificar que todas las válvulas de aislamiento de las toberas estén abiertas.

E) Conectar el suministro eléctrico.

F) Abrir el suministro de aire comprimido y, lentamente, ir abriendo la válvula de admisión hasta que la presión de entrada esté entre 30 y 40 kN / m2. En este momento la turbina deberá funcionar entre 20.000 y 30.000 rpm.

G) Ajustar el tornillo de la carga de freno para "sentir" el control de carga y luego ajustar la velocidad a aproximadamente 15.000 rpm.

H) Abrir lentamente la válvula de admisión y comprobar que la presión de entrada esté entre 60 y 65 kN / m2.

 

La unidad se encuentra ahora lista para su utilización.

1 APLICACION DE LA ECUACION DE LA ENERGIA

Procedimiento

1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente.

2) Abrir todas las válvulas de aislamiento de las toberas, y ajustar la válvula de admisión para obtener una presión de entrada de 60 kN / m2.

3) Ajustar la carga de freno de manera que la turbina funcione a aproximadamente el 50 % de la velocidad sin carga.

4) Mantener estables la presión de entrada y la velocidad hasta que la temperatura del aire de entrada y de salida sea bastante estable.

5) Observar y anotar las indicaciones de todos los instrumentos.

 

Cálculos

Variación de entalpía específica: ( h2 - h1 ) = cp ( t2 - t1 )

cp para el aire = 1.004 kJ kg-1 K-1

Aplicar la Ecuación de la Energía.

 

Trabajo de gabinete

Especificar mediante un esquema del volumen de control, la magnitud y sentido de los flujos energéticos. Explicar el sentido de la transferencia de calor en la turbina.

 

 

2 DETERMINACION DEL RENDIMIENTO DE UNA TURBINA

Procedimiento

1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente.

2) Abrir todas las válvulas de aislamiento de las toberas, y ajustar la válvula de admisión para obtener una presión de entrada de 60 kN / m2.

3) Ajustar la carga de freno de manera que la turbina funcione a aproximadamente el 50 % de la velocidad sin carga.

4) Mantener estables la presión de entrada y la velocidad hasta que la temperatura del aire de entrada y de salida sea bastante estable.

5) Observar y anotar las indicaciones de todos los instrumentos.Anotar presión atmosférica.

 

Cálculos

Relación de presiones de la turbina ; p2 Presión atmosférica

Rendimiento efectivo e / ( h1 - h2´ )

 

Trabajo de gabinete

Representar el proceso de expansión en un diagrama T - s. ¿Porqué la potencia efectiva no es igual a cp (T1 - T2 ) ?

 

3 TRAZADO DE LAS CURVAS PAR - VELOCIDAD Y POTENCIA - VELOCIDAD

 

Procedimiento

1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente con todas las válvulas de aislamiento de toberas abiertas.

2) Ajustar la válvula de admisión al valor deseado de la presión (p.e. 60 kN / m2) . Esta presión debe mantenerse durante toda la prueba.

3) Aflojar el tornillo de ajuste del freno hasta que la turbina funcione cerca de su velocidad máxima, SIN exceder las 50.000 rpm.

4) Cuando las condiciones se estabilicen, anotar la velocidad, la fuerza, y el gasto de aire.

5) Girar el tornillo de ajuste del freno hasta que la turbina gire a una velocidad menor, teniendo en cuenta que habrá qe obtener al menos seis puntos de funcionamiento entre la velocidad máxima y la velocidad nula. Cuando se estabilice, repetir las observaciones.

6) Repetir a disminuciones similares de velocidad hasta que la turbina se detenga finalmente.

7) Ahora se puede repetir el experimento a otras presiones constantes de entrada. ( p.e. 40 y 20 kN / m2 ).

Cálculos

Par M = Fuerza x Radio

Potencia al eje e = Par x Velocidad angular

Trabajo de gabinete

Representar en un mismo gráfico los resultados obtenidos. Comentar estos resultados.

¿ Cuando obtenemos rendimientos máximos?¿Porqué?

4 DETERMINACION DE LA FRICCION FLUIDA Y MECANICA

Procedimiento

1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente.

2) Aflojar y retirar la correa de freno de la rueda de freno.

3) Hacer funcionar la turbina a aproximadamente 50.000 rpm y luego cortar el suministro de aire comprimido.

4) A medida que vaya bajando la velocidad de la turbina, anotar una de cada dos indicaciones del tacómetro. (El tacómetro actualiza su medida cada 0.8 segundos, por lo que las anotaciones se hacen cada 1.6 segundos).

5) Asegurarse de haber tomado todos los puntos de la forma correcta.

Acceso Videos de la práctica

                

  V1, V2 V3  V4  V5 V6 V7 V8 V9 V10 V11P (kPa)  50 10  25 40 50 70 90 90 90 90 90 gasto (g/s)  3.2 1.95 3.8 4.0 4.5 4.9 5.6 4.2   3 1.6

 nº Toberas  3 4  3 3 4 4 4 3   2 1

 

Cálculos

Deceleración angular

Par de fricción Mf = I·

Potencia de fricción Wf = Mf·

Trabajo de gabinete

Dibujar la gráfica velocidad de rotación - tiempo. Trazar diversas pendientes a esta curva para obtener el valor de la deceleración angular en distintos puntos. Dibujar la curva deceleración angular - velocidad angular. Se pued implementar con una hoja de cálculo

Trazar las curvas Par de fricción - velocidad angular y potencia de fricción - velocidad angular.

¿ Qué causas provocan el efecto de fricción? ¿Cómo varían con la velocidad?

Deducir el par y la potencia desarrollados en las paletas.

 

5.- COMPARACION DEL CONSUMO ESPECIFICO DE AIRE CUANDO SE CONTROLA LA POTENCIA GENERADA POR ESTRANGULACION O POR TOBERAS. LINEA DE WILLANS.

1) Preparar la turbina para su funcionamiento según se ha descrito anteriormente.

2) Abrir todas las válvulas de aislamiento de las toberas.

3) Definir una velocidad rotacional constante , p.e. 20.000 rpm.

4) Poner en marcha la turbina y ajustar la válvula de admisión y el freno de manera que la turbina funcione a la velocidad deseada con una presión de entrada alta , p.e. 60 kN /m2.

5) Anotar la velocidad, presión de entrada, fuerza, y gasto.

6) Ajustar la válvula de admisión y el freno de manera que la turbina siga funcionando a la misma velocidad pero a una presión de entrada más baja ( p.e. 50 kN / m2 ). Repetir las observaciones.

7) Repetir la operación a presiones cada vez más bajas hasta que no se pueda obtener la velocidad deseada.

8) Cerrar una de las válvulas de aislamiento de tobera, dejando las otras tres en funcionamiento.

9) Repetir los pasos 5) a 7).

10) Repetir con dos toberas en operación y finalmente con una sola.

 

Nota: Con una sola tobera el gasto de aire es reducido, por lo que se obtendrá un valor más preciso de dicha velocidad calculando un 25 % del flujo de aire a través de las cuatro toberas a la misma presión de entrada.

 

Cálculos

Potencia al eje 

Consumo específico de aire c.e.a. 

 

Trabajo de gabinete

Representar gráficamente el consumo específico de aire frente a la potencia, tomando como parámetro el número de toberas abiertas. Expresar el c.e.a. en g/kJ. Dibujar la línea de Willans de la turbina para una velocidad dada.

6.- OBTENCIÓN DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LA TURBINA DE GAS.

 

Para el caso de una turbina, el flujo entra a través de un conjunto de toberas. Cuando el flujo en la garganta de una tobera alcanza la velocidad del sonido se dice que es un flujo estrangulado. El flujo estrangulado se produce cuando la relación P2 / P1 alcanza un valor crítico y entonces el gasto ya no puede aumentar.

Por debajo de este valor crítico, la relación , tiene un pequeño efecto en el valor de la relación

 

Procedimiento

Con los datos tomados en la práctica anterior (5) para cuatro toberas abiertas, y los tomados para esa misma práctica a otra velocidad de giro, se pueden obtener los parámetros necesarios para dibujar la gráfica precedente.

Trabajo de gabinete

Dibujar la gráfica anterior para dos velocidades de giro constantes. Observar que en nuestro caso no llega a alcanzarse la velocidad sónica en las toberas de la turbina.

Trabajo de gabinete:

Representar gráficamente los resultados obtenidos y realizar el informe del ensayo según las normas generales.

 

Práctica Virtual

Existe la posibilidad de trabajar sobre una simulación informática del comportamiento de éste equipo, de forma que el alumno pueda "jugar" con el equipo sin limitaciones, pudiendo

modificar parámetros que no se podrían variar sobre el equipo real de laboratorio. No es necesario ceñirse a una sola unidad de prácticas.  Enlace al Laboratorio Virtual.

Este software está diseñado para obtener el máximo provecho al trabajo práctico en los estudios técnicos, y proporciona tanto ayuda en línea como información adicional para que el alumno pueda relacionar más estrechamente la teoría y la práctica.

VENTILADOR CENTRÍFUGO

Equipo diseñado y construido íntegramente en nuestro laboratorio

Objeto: 

Comprobar el cumplimiento de las leyes de los ventiladores, trazado de las curvas características y comparación de distintos sistemas de regulación de los ventiladores.

 

Material:

Banco de ensayo de ventiladores compuesto por ventilador centrífugo de mediana presión accionado por motor eléctrico de velocidad variable, tacómetro óptico, estrangulador de flujo por compuerta, tomas piezométricas y tubos de Pitot y de Prandtl, convenientemente dispuestos y con sus correspondientes manómetros.

La regulación del caudal que proporciona el ventilador puede realizarse por variación de la velocidad de giro y también mediante estrangulamiento en la aspiración.

Fundamento teórico:

Al funcionar, los ventiladores desarrollan una presión total, la cual está compuesta de dos sumandos: presión estática y presión dinámica.

La presión dinámica se utiliza para crear y mantener la velocidad del aire o gas. La presión estática es la presión existente en el seno del fluido, y sirve para vencer los rozamientos y otras resistencias ofrecidas al paso del aire o gas.

La presión dinámica en la aspiración está medida por el tubo de Prandtl, la diferencia de presiones totales entre la entrada y salida del ventilador, por sendos tubos de Pitot, y el incremento de presión estática por tomas piezométricas.

La operación de los ventiladores con velocidad de giro variable se corresponde con las siguientes premisas:

- El caudal es directamente proporcional a la velocidad de giro

- La elevación de presión varía con el cuadrado de la velocidad de giro.

- La potencia absorbida por el ventilador varía con el cubo de la velocidad de giro.

Estas son las llamadas "Leyes de los ventiladores", que pueden también aplicarse a los turbocompresores.

Cuando se obtienen los datos de operación de un ventilador (caudal, presión, potencia), éstos se pueden graficar en coordenadas cartesianas.

 

Método operatorio:

Se anotará la temperatura y presión atmosférica que reina en el laboratorio. Con estos datos se calculará la densidad del aire con la ecuación de los gases ideales.

Se pondrá en marcha el ventilador a su velocidad máxima.

La trampilla de estrangulación deberá estar abierta en una posición intermedia, que se mantendrá durante toda la prueba.

Una vez se hayan estabilizado las lecturas, se anotarán en una tabla construida al efecto las indicaciones que muestran los distintos instrumentos - tacómetro, voltímetro, amperímetro, manómetro en U que indica el Ptotal y manómetro de tubo inclinado que indica la Pdinámica a la entrada- con sus unidades respectivas.

Se disminuirá la velocidad de giro en 500 rpm aproximadamente, volviéndose a anotar las lecturas, y así sucesivamente hasta alcanzar la velocidad mínima del ventilador.

Una vez obtenidos los datos, se procederá a realizar los cálculos correspondientes que nos permitan obtener la potencia absorbida de la red, el caudal, y el incremento de presión total.

- Potencia absorbida de la red eléctrica: (motor monofásico)

Se anotará directamente la indicación del vatímetro que nos dará el "valor real".

Si multiplicamos esta potencia por el rendimiento del motor eléctrico, obtendríamos la potencia mecánica al eje.

- Caudal:

Del tubo de Prandtl instalado a la entrada obtenemos la presión dinámica, que nos permitirá calcular la velocidad media en el conducto de entrada. Sabiendo que el diámetro del tubo de entrada es de 98 mm, podremos calcular el caudal.

- Incremento de presión total:

Se indica directamente en el manómetro en U en [mm.c.a].

Estos resultados, para cada número de revoluciones, se reflejaran en una tabla de resultados y se dibujarán las gráficas correspondientes en escalas lineal y logarítmica.

Trabajo de gabinete:

Representar gráficamente los resultados obtenidos y realizar el informe del ensayo según las normas generales.

 

Práctica Virtual            ir Simulación--> Banco de ensayos

Existe la posibilidad de trabajar sobre una simulación informática del comportamiento de éste equipo, de forma que el alumno pueda "jugar" con el equipo sin limitaciones, pudiendo modificar parámetros que no se podrían variar sobre el equipo real de laboratorio. No es necesario ceñirse a una sola unidad de prácticas.  Enlace al Laboratorio Virtual.

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