La práctica evalúa el rendimiento de un motor de vapor. Se midieron parámetros como presión, temperatura, flujo de masa y velocidad. Se calculó la potencia al freno, eficiencia térmica total, eficiencia de la caldera, eficiencia isoentrópica del motor y calor perdido. El rendimiento del ciclo Rankine fue negativo debido a pérdidas térmicas. Se recomienda explicar mejor los diagramas, incluir unidades y clarificar el origen de constantes en fórmulas.

1. FACULTAD DE ESTUDIOS
SUPERIORES
ARAGÓN
INGENIERÍA MECÁNICA
LABORATORIO DE MÁQUINAS TÉRMICAS
Práctica no. 6: “Motor de vapor”
Alumno: DavidRicardoFernández Cano V.
Fechade realización:
Fechade entrega:

2. Tabla de toma de lecturas
Descripción Referencia Unidad Lectura
Presión
Atmosférica del lugar 𝑃𝐴 bar 0.8
Manométrica de la caldera 𝑃1 bar 3.2
Manométrica de la válvula de control 𝑃2 bar 200
Flujo de
masa
Vapor (condensado) 𝑚 𝑣 kg/s 0.00167
Agua de enfriamiento 𝑚 𝑤 kg/s 0.0333
Temperatura
Vapor de la caldera 𝑇1 °C 140
Vapor en el calorímetro 𝑇2 °C 100
Condensado 𝑇3 °C 72
Agua de enfriamiento a la entrada del condensador 𝑇𝑒 °C 24
Agua de enfriamiento a la salida del condensador 𝑇𝑠 °C 61
Otros
Velocidad del motor n rpm 2000
Consumo de energía (potencia eléctrica suministrada a la caldera) x 𝑊 × ℎ 30
Tiempo del experimento t s 20
Desarrollo de la práctica
Potencia al freno
𝑊1 = .0059(6𝑁)(200𝑟𝑝𝑚) = 71.4𝑊
Energía suministrada en la caldera
𝑥 = (30ℎ𝑊)(3600𝑠 1ℎ⁄ ) = 10800𝑊𝑠
𝑄1 = 10800𝑠𝑊 20⁄ = 5400𝑊
Eficiencia térmica total en la planta
𝐻𝑣 = 4.186𝑘𝐽 (°𝐶𝑘𝑔)140°𝐶 = 586.04 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄⁄
𝐻3 = 4.186𝑘𝐽 (°𝐶𝑘𝑔)72°𝐶 = 301.3924 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄⁄

3. 𝜂 𝑇 = 71.4𝑊 (5400𝑊 + .00167 𝑘𝑔 𝑠⁄ (586.04 − 301.392) 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ )⁄ = .0132%
Eficiencia de la caldera
𝐻1 de tablas de vapor sobrecalentado @ 𝑇2 = 100°𝐶; 𝑃𝐴 = .70𝑏𝑎𝑟⇒ 𝐻1 = 2678.754 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄
𝜂 𝑐 = .00167 𝑘𝑔 𝑠⁄ (2678.754 − 586.04) 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ /5400𝑊 = 647.2 × 10−6%
Eficiencia isoentrópica del motor
Del diagrama T-S se tiene 𝐻2 = 2400 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄
𝑁 𝑚 = 71.4𝑊 (.00167 𝑘𝑔 𝑠⁄ (2678.754 − 2400) 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ )⁄ = 153.377%
De las tablas de saturación de vapor @ 𝑃1 = 4𝑏𝑎𝑟;
𝐻𝑙1 = 604.67 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄
𝐻𝑙𝑔1 = 2132.956 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄
𝑥1 = (2678.754 − 604.67) 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ 2132.956 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄⁄ = .9724
De tablas de saturación de vapor @ 𝑃1 = 4𝑏𝑎𝑟
𝑆𝑙1 = 1.7764 𝑘𝐽 (°𝐾𝑘𝑔)⁄
𝑆𝑙𝑔1 = 5.11793 𝑘𝐽 (°𝐾𝑘𝑔)⁄
𝑆1 = (1.7764 + .9724(5.11793)) 𝑘𝐽 (°𝐾𝑘𝑔)⁄ = 6.7531 𝑘𝐽 (°𝐾𝑘𝑔)⁄
De tablas de saturación de vapor @ 𝑃𝐴 = .8𝑏𝑎𝑟;
𝑆𝑙2 = 1.23301 𝑘𝐽 (°𝐾𝑘𝑔)⁄
𝑆𝑙𝑔2 = 6.20217 𝑘𝐽 (°𝐾𝑘𝑔)⁄
𝑥2 = (6.7531 − 1.23301) 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ 6.20217 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄⁄ = .89
𝐻𝑙2 = 391.723 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄
𝐻𝑙𝑔2 = 2274.05 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄
𝐻2 = (391.723 + .89(2274.05) 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ ) = 2415.6744 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄
Calor perdido en el sistema en la caldera
Con la bomba:
𝐻0 = 4.186𝑘𝐽 (°𝐶𝑘𝑔)72°𝐶 = 301.3924 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄⁄
𝑄2 = 5400𝑊 + .00167 𝑘𝑔 𝑠⁄ (301.3924 − 2678.754) 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ = 5396.0298 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄

4. Sin bomba:
𝑄2 = 5400𝑊 + .00167 𝑘𝑔 𝑠⁄ (586.04 − 2678.754) 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ = 5396.5052 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄
En el motor de vapor
𝑄3 = .00167 𝑘𝑔 𝑠⁄ (2678.754 − 2415.6744) 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ − 71.4𝑊 = −70.9607𝑊
En el condensador
𝑄5 = .0333 𝑘𝑔 𝑠⁄ (4.186 𝑘𝐽 ( 𝑘𝑔°𝐶)⁄ )(61 − 24)°𝐶 = 5.1576𝑊
𝑄4 = .00167 𝑘𝑔 𝑠⁄ (2415.6744 − 301.392) 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ − 5.1576𝑊 = −1.6267𝑊
Si consideramos al motor de vapor y al condensador como conjunto se tiene:
𝑄3 + 𝑄4 = .00167 𝑘𝑔 𝑠⁄ (2678.754 − 301.392) 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄
− (71.4𝑊 + .0333 𝑘𝑔 𝑠⁄ (4.186 𝑘𝐽 (°𝐶𝑘𝑔)(61 − 24)°𝐶⁄ )) = −72.5874𝑊
Eficiencia del ciclo Rankine
𝐻2𝑅 = 5.1576𝑊 . 00167 𝑘𝑔 𝑠⁄⁄ + 301.392 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ = 3389.7576 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄
𝜂 𝐶𝑅 = (2678.754 − 3389.7576) 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ (2678.754 − 301.392)⁄ 𝑘𝐽 𝑘𝑔⁄ = −.2991%
Gráficas

8. Conclusiones y recomendaciones
Los motores de vapor fueron las primeras maquinas térmicas que se inventaron, sin embargo en la
actualidad están en desuso debido a que estos tienen un rendimiento menor comparados con el
motor de combustión interna, el cual ha encontrado el auge en la industria automotriz. No obstante
el ciclo Rankine es utilizado por las plantas termoeléctricas y estas constan de turbinas que
igualmente funcionan con el vapor de agua. De esta manera existen similitudes entre el
funcionamiento de las plantas térmicas y el motor de vapor, ya que ambos trabajan con el vapor de
agua como fluido y en ambos casos se pueden usar combustibles fósiles en la caldera.
Entre las desventajas del motor de vapor están las perdidas térmicas debido a fugas, condensación
inicial del vapor o la expansión incompleta; sin embargo, tiene ventajas como poder trabajar a
bajas presiones o arrancar con grandes cargas.
En la teoría que se expone al inicio de la práctica se menciona que “la entropía es un factor que
denota la energía de un sistema”, lo cual es por lo menos una definición incompleta.
Sería conveniente poner una explicación más detallada acerca de la realización de los diagramas así
como una exposición del mismo; otra recomendación es acerca de las unidades en el diagrama
entalpía-entropía, las cuales no aparecen y también unidades para la temperatura en el diagrama
temperatura-entropía, así como unidades para la presión.
A mi parecer es un error que en estas prácticas cuando se mencionan algunas formulas no se deja
claro cuál es el origen de las constantes que aparecen en ellas, lo cual en mi caso me provoco
muchos errores en los cálculos, debido a que asumí que podían tener un origen termodinámico o
bien eran debidas a la naturaleza de alguno de los mecanismos del equipo utilizado, cosa que es
bastante común en formulas de ingeniería. Sin embargo muchas de estas constantes provienen de la
conversión de unidades, lo cual provoca confusión si no se aclara debido a que en los manuales
anteriores de Termodinámica y Mecánica de fluidos se obliga a los alumnos a realizar las
conversiones de unidades correspondientes.
En esta práctica resultan confusas las unidades de energía consumida, que en la tabla de toma de
lecturas se expresan como 𝑊 − ℎ y en la pág. 132 como 𝑊𝑎𝑡𝑡𝑠 − ℎ, en estos casos, el símbolo –
(guion medio) no deja clara la indicación, ya que este es el símbolo que generalmente se ocupa para
la resta pero en este caso la operación que se quiere indicar es la multiplicación. Sería conveniente
que el guion medio fuera sustituido por alguno de los símbolos que tradicionalmente se emplean
para indicar la multiplicación, los cuales son el punto, los paréntesis o la cruz.