TERMODINAMICA B INGENIERÍA INDUSTRIAL INGENIERÍA ELECTRICISTA GUÍA DE SEMINARIOS DE PROBLEMAS 2º PARTE F CICLOS DE VAPOR: POTENCIA Y REFRIGERACIÓN 2

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1 TERMODINAMICA B INGENIERÍA INDUSTRIAL INGENIERÍA ELECTRICISTA 2017 GUÍA DE SEMINARIOS DE PROBLEMAS 2º PARTE F CICLOS DE VAPOR: POTENCIA Y REFRIGERACIÓN 2 G CICLOS DE GAS: POTENCIA Y REFRIGERACIÓN 8 H EXERGÍA 11 I CICLOS DE POTENCIA AVANZADOS: COMBINADOS - COGENERACIÓN 1 J ACONDICIONAMIENTO 17 CONSULTAS termob@ing.unlp.edu.ar termobunlp@gmail.com DOCENTES PROFESOR TITULAR Dra. MARIA ISABEL SOSA JEFE DE TRABAJOS PRÁCTICOS Ing. JOSE PABLO CEBREIRO AYUDANTE DIPLOMADO Ing. AURELIO AQUINO AYUDANTE ALUMNO AD HONOREM Sr. FRANCO BAIONI AYUDANTE ALUMNO AD HONOREM Sr. LUCA BERGAMINI

2 UNIDAD 1: FUNDAMENTOS de la TERMODINAMICA SEMINARIO F: CICLOS DE POTENCIA Y DE REFRIGERACIÓN DE VAPOR OBJETIVOS CONCEPTUALES: Conceptos fundamentales. Ciclo Rankine. Ciclo Rankine regenerativo. Ciclos con sobrecalentamiento y recalentamiento. Ciclo de refrigeración de vapor. Bomba de calor BIBLIOGRAFÍA recomendada: Sustitución de Refrigerantes - Roberto Ricardo Aguiló- CIAR 2001, trabajo 99, pp Repercusión energética de la implementación de los nuevos refrigerantes en el mercado español - Laespada, Bernad, López y Esbri- CIAR 201, trabajo 1, pp OBJETIVOS PROCEDIMENTALES: Utilización de: TABLAS: Vapor de agua - DIAGRAMA: entrópico T-s TABLA: REFRIGERANTES R12 y R13ª PREGUNTAS 1. Grafique el ciclo de Carnot en un diagrama T-s. Es factible utilizarlo con vapor? 2. Hacer un esquema de la instalación de un ciclo Rankine simple. b) Croquizar el ciclo Rankine en un diagrama T-s. 3. Explicar como funciona una turbina de vapor, una caldera, un condensador y una bomba. Para que se utilizan?. Porque se dice que el ciclo Rankine está inscripto entre las presiones de caldera y condensador? Justifique la respuesta. B) Cual es la presión máxima y mínima posibles? c) Cuales son las temperaturas máxima y mínima del ciclo sin sobrecalentamiento? d) A que se denomina un ciclo Rankine SUPERCRÍTICO? 5. Cual es la desventaja de instalar un ciclo de vapor en Salta frente a su instalación en Santa Cruz? Justifique la respuesta. 6. Discuta el funcionamiento de una turbina de vapor TV. 7. Definir rendimiento isentrópico de la turbina y analizar como se modifica el rendimiento térmico del ciclo en función de éste. 8. Indique las formas de aumentar la eficiencia de un ciclo Rankine simple partiendo de uno sin sobrecalentamiento. 9. Justificar la aproximación de que el trabajo de la bomba es despreciable en el cálculo del rendimiento térmico del ciclo Rankine. 10. Demostrar que el trabajo producido por una turbina irreversible es menor que el de una reversible. 11. En un ciclo Rankine con rendimiento isentrópico en la turbina del 85% corresponde uno de estos tres signos. Cual es? Justifique la elección a) Sgen 0 b) Sgen 0 c) Sgen En el ciclo Rankine el sobrecalentamiento aumenta o disminuye la cantidad de humedad del vapor a la salida de la TV? Porque? 13. Cuál es el rango de temperatura de entrada/salida de la TV? Cual es el rango de rendimientos en la serie TV? 1. Defina recalentamiento, sobrecalentamiento y regeneración. 15. Si una turbina con rendimiento isentrópico del 100% alcanza el estado del vapor final como vapor VSC, en el caso de la turbina real podrá ser éste VH? 16. Explique porque la irreversibilidad aumenta la calidad del vapor a la salida de la TV. 17. Defina: - Eficiencia frigorífica - Capacidad de refrigeración - Coeficiente de operación COPBC - Coeficiente de operación COPR - Tonelada de refrigeración 18. Cuales son los valores usuales del COP de refrigeración y de bomba de calor? 19. Al seleccionar un refrigerante para una aplicación, que características buscaría en el refrigerante? Seminario de Problemas F CICLOS DE VAPOR DE POTENCIA Y REFRIGERACIÓN 2

3 20. Considere un sistema de refrigeración con R-13a como fluido de trabajo. Si opera a temperatura ambiente a 30º C, cual es la presión mínima a la cual debe comprimirse? Porque? 21. Cuál es la aplicación de los sistemas de refrigeración? 22. Cuál es la función que cumple el evaporador y el condensador en un ciclo de refrigeración? 23. Cuales son los fluidos de trabajo que se emplean en ciclos de refrigeración? Mencione las ventajas y desventajas de cada uno de ellos. 2. Cuál es el inconveniente de los refrigerantes halogenados? Cuales son sus sustitutos? Mencione brevemente el estado actual de la sustitución de refrigerantes. 25. Explique el manejo de los diagramas entalpía-presión. 26. Cuál es la diferencia más significativa entre un ciclo ideal y uno real? 27. Cuales son las razones por las cuales es impracticable el ciclo de Carnot de refrigeración con vapor? Porque el ciclo invertido de Carnot cuando es ejecutado dentro de la curva de saturación no es un modelo realista para ciclos de refrigeración? 28. Porque la válvula de estrangulamiento en un ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor no se sustituye por una turbina isentrópica? 29. Porque los compresores utilizan COMPRESIÓN SECA? 30. Explique el funcionamiento y los beneficios de un ciclo en cascada. 31. Demuestre que una bomba de calor por compresión de vapor para calefacción tiene las mismas componentes que un ciclo de refrigeración con compresión de vapor 32. Cuáles son los VALORES CRÍTICOS (temperatura y presión) del refrigerante 13a? En base a estos datos, indique cual es el rango de aplicación de estos refrigerantes? 33. Defina capacidad de refrigeración. 3. Que indica el COP? Cuáles son los valores usuales para un sistema de compresión a vapor? 35. Desde el punto de vista teórico que valor de COP esperaría: 1 o infinito? Pueden alcanzarse estos valores? 36. Que indicaría un COP menor a la unidad? 37. A) Pueden utilizarse fluidos diferentes en un ciclo de refrigeración. Cascada/ Multietapas. B) Puede utilizarse vapor de agua en un ciclo de refrigeración? JUSTIFIQUE PROBLEMAS 1. El fluido de un ciclo de Rankine simple es vapor de agua. A la turbina entra vapor saturado VSat a 8 MPa y del condensador sale líquido saturado LSAT a la presión de 10 kpa. La potencia neta obtenida es de 100 MW. Croquizar el ciclo en un diagrama T-s, indicando los puntos Completar la tabla. To= 300 K. Suponer que tanto la TV como la bomba tienen rendimiento isentrópico del 100% Estado Temperatura Presión Entalpía Entropía titulo Estado de agregación kj/kg kj/kg.k 1 8 MPa 1 Vapor saturado VS kpa 0 Liquido saturado LS Determinar para el ciclo: rendimiento térmico flujo másico de vapor en kg/h y en kg/s flujo calórico absorbido por el fluido de trabajo a su paso por la caldera en MW flujo calórico cedido por el fluido de trabajo en el condensador en MW flujo másico de agua de refrigeración en el condensador si entra en el condensador a 15º C y sale a 35º C entropía generada por la turbina, bomba y condensador en kw/k relación de trabajos (bomba/tv) Seminario de Problemas F CICLOS DE VAPOR DE POTENCIA Y REFRIGERACIÓN 3

4 2. En el ciclo de potencia anterior reconsiderar en el análisis de la turbina y la bomba un rendimiento isentrópico del 85%. Croquizar en T-s, indicando los puntos Completar la tabla To= 300 K * IDEAL (REVERSIBLE) Estado Temperatura Presión Entalpía Entropía titulo Estado de agregación KPa kj/kg kj/kg.k Vapor saturado VS 2* Liquido saturado LS * Determinar para el ciclo: rendimiento térmico flujo másico de vapor en kg/h para una potencia de salida de 100 MW flujo calórico absorbido por el fluido de trabajo a su paso por la caldera en MW flujo calórico cedido por el fluido de trabajo en el condensador en MW el flujo másico de agua de refrigeración en el condensador si entra en el condensador a 15º C y sale a 35º C entropía generada por la turbina, bomba y condensador en kw/k 3. En un ciclo con sobrecalentamiento y recalentamiento se usa vapor de agua como fluido de trabajo. El vapor entra en la primera etapa de la turbina a 8 MPa y 500º C y se expande a 0,8 MPa. Este se recalienta hasta 00º C antes de entrar en al segunda etapa de la turbina donde se expande hasta la presión del condensador de 10 kpa. La potencia neta obtenida es de 100 MW. Croquizar en T-s, indicando los puntos Completar la tabla. Determinar: rendimiento térmico flujo másico de vapor en kg/h flujo calórico cedido por el vapor en el condensador en MW entropía generada por la turbina, bomba y condensador en kw/k exergía destruida en por la turbina, la bomba y el condensador en MW Suponiendo que la caldera intercambia calor con una fuente a 800 C con To=300 K, calcular a) la entropía generada, b) el rendimiento térmico de la instalación. Estado Temperatura Presión Entalpía Entropía º C MPa kj/kg kj/kg.k titulo Estado de agregación Vapor sobrecalentado VSC 2 0, Liquido saturado LS Liquido comprimido LC Seminario de Problemas F CICLOS DE VAPOR DE POTENCIA Y REFRIGERACIÓN

5 . En un ciclo de potencia regenerativo con un calentador abierto de agua de alimentación el vapor de agua entra a la turbina a 8 MPa y 500º C y se expande hasta 0,8 MPa, donde parte de este vapor es extraído y enviado al calentador abierto del agua de alimentación que opera a 0,8 MPa. El resto del vapor se expande en la segunda etapa de la turbina hasta la presión del condensador de 10 KPa. La salida del calentador es líquido saturado a 0,8 MPa. El rendimiento isentrópico de cada etapa de la turbina es de 85%. Croquizar en T-s, indicando los puntos Completar la tabla * IDEAL (REVERSIBLE) ESTADO TEMPERATURA PRESIÓN ENTALPÍA ENTROPÍA TITULO ESTADO DE AGREGACIÓN ºC MPa kj/kg kj/kg.k % 1 2* 2 3* Si la potencia neta del ciclo es de 100 MW, determinar: rendimiento térmico flujo másico de vapor en kg/h que entra en la primera etapa de la turbina flujo entrópico generado por la turbina, bomba y condensador entropía generada en el calentador abierto de agua, To=300 K 5. En el ciclo de potencia anterior reconsiderar el análisis de la turbina y la bomba un rendimiento isentrópico del 85% Croquizar en T-s, indicando los puntos Completar la tabla * IDEAL (REVERSIBLE) Estado Temperatura Presión Entalpía Entropía titulo Estado de agregación kj/kg kj/kg.k 1 8 MPa 1 Vapor saturado VS 2* kpa 0 Liquido saturado LS * Determinar para el ciclo: rendimiento térmico flujo másico de vapor en kg/h para una potencia de salida de 100 MW flujo calórico absorbido por el fluido de trabajo a su paso por la caldera en MW flujo calórico cedido por el fluido de trabajo en el condensador en MW flujo másico de agua de refrigeración en el condensador si el agua entra a 15º C y sale a 35º C entropía generada por la turbina, bomba y condensador Medio ambiente: 300 K Seminario de Problemas F CICLOS DE VAPOR DE POTENCIA Y REFRIGERACIÓN 5

6 6. El vapor se expande en una turbina desde la presión de generador de,5 MPa hasta la presión del condensador 0,010 MPa. Determine el rendimiento térmico para los siguientes ciclos: a) Ciclo de Carnot reversible b) ciclo Rankine reversible c) Ciclo Rankine con irreversibilidad en la turbina y en la bomba, siendo el rendimiento isentrópico de 80% en ambos. Condiciones del medio: 21º C y 0,1 MPa 7. Una planta térmica de vapor debe entregar en el eje de la turbina una potencia de 10 MW, siendo la masa de vapor que circula por la misma de kg/hora. El vapor ingresa a la turbina a una presión de 1,2 MPa y 500º C y sale de la misma a una presión de 0,0075 MPa y un titulo de 0,97. Determinar a) rendimiento isentrópico de la turbina b) rendimiento térmico del ciclo siendo el rendimiento isentrópico de la bomba del 75% 8. Un ciclo de refrigeración de flujo permanente utiliza refrigerante R13a como el fluido de trabajo. Cuando cede calor el refrigerante cambia de vapor saturado a líquido saturado a 30º C en el condensador. La presión del evaporador es de 120 kpa. Muestre el ciclo en el diagrama T-s relativo a las líneas de saturación. Suponiendo un flujo másico de 100 kg/s y determine: Coeficiente de operación (COPR ) Cantidad de calor absorbido del espacio refrigerado Entrada neta de potencia Capacidad de refrigeración en toneladas de refrigeración 9. Un refrigerador emplea refrigerante R13a como fluido de trabajo y opera en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor entre 0,12 MPa y 0,7 MPa. La relación de flujo de masa del refrigerante es 0,05 Kg/s. Muestre el ciclo en un diagrama T-s y uno h-p. Determine: a. flujo calórico extraído del espacio refrigerado b. Entrada de potencia al compresor c. flujo calórico cedido al ambiente d. Eficiencia frigorífica (COP) e. Capacidad de refrigeración en toneladas de refrigeración 10. Una bomba de calor que opera en un ciclo por compresión de vapor con refrigerante R13a se usa para calentar una casa y mantenerla a 20º C, que utiliza al agua subterránea a 10º C como fuente de calor. La casa pierde calor a razón de kj/h. Las presiones del evaporador y el condensador son 320 kpa y 800 kpa para cada uno. Determine: a. la entrada de potencia a la bomba de calor b. la potencia eléctrica ahorrada usando una bomba de calor en lugar de un calentador de resistencia eléctrica c. el aumento en la entrada de potencia eléctrica si se utiliza un calentador de resistencia eléctrica en vez de una bomba de calor 10. Una compañía utiliza un ciclo de compresión de vapor con refrigerante HFC- 13a como fluido de trabajo. Una parte del ciclo opera a 50 kpa y la otra a 1,8 MPa, teniendo una válvula de expansión en un ciclo de refrigeración de Rankine ideal, cual es el coeficiente de operación? 11. Diseñe un SISTEMA DE REFRIGERACIÓN por compresión a vapor con R13a que mantendrá un recinto refrigerado a -17º C, mientras que el ambiente se mantiene a 30º C. Indique adecuadamente las presiones, el COP y la potencia necesaria si la capacidad de refrigeración es de 6 TR. Considere que: a) debe mantenerse una diferencia de temperatura entre 5º y 10º C entre el refrigerante y el medio con el cual intercambia calor para obtener una transferencia calórica razonable. B) La presión del evaporador debe estar por Seminario de Problemas F CICLOS DE VAPOR DE POTENCIA Y REFRIGERACIÓN 6

7 encima de la atmosférica para evitar filtraciones 12. Un sistema de refrigeración domiciliario consta de dos evaporadores que opera a temperaturas distintas, un compresor y un condensador. El ciclo de refrigeración trabaja con R13a. El evaporador 1 tiene objetivo mantener al congelador a 12º C, absorbiendo una potencia de 0,16 Ton. El evaporador 2 mantiene la cámara a º C, absorbiendo una potencia calorífica de 0,078 Ton. El refrigerante a la salida del evaporador 1 lo hace como vapor saturado a una presión de 150 kpa. El evaporador 2 produce a la salida vapor saturado a 250 kpa. El compresor es adiabático y tiene un rendimiento isentrópico de 0,8. En el condensador la presión es de kpa y el refrigerante a la salida del mismo es líquido saturado. Se refrigera con aire ambiente cuya temperatura es 293 K. Se pide: A. Representar el ciclo frigorífico en un diagrama T-s, indicando claramente la temperatura del ambiente y la de las cámaras B. Calcular el flujo másico de refrigerante en cada evaporador en kg/min C. Calcular la potencia necesaria en el compresor D. Calcular el flujo de calor transferido por el refrigerante a su paso por el condensador 3 Condensador 2 1 Evaporador º C Evaporador 1 5-8º C 6 Estado Presión Temperatura kpa º C Titulo Entalpía KJ / kg Entropía KJ / kg. K Seminario de Problemas F CICLOS DE VAPOR DE POTENCIA Y REFRIGERACIÓN 7

8 APLICACIONES de la TERMODINAMICA SEMINARIO G: CICLOS DE GAS Ciclos de potencia y de refrigeración OBJETIVOS CONCEPTUALES: Conceptos fundamentales de un ciclo de gas. Ciclo Otto. Ciclo Diesel. Ciclo Brayton. Ciclos de refrigeracion. OBJETIVOS PROCEDIMENTALES: Utilización de: TABLAS: Aire - Tabla de calores específicos a temperatura ambiente y Tablas de Keenan y Kaye PREGUNTAS 1. Indique la ecuación del rendimiento de cada uno de los ciclos de gas: Diesel, Otto, Brayton 2. Comparándolos con los ciclos de vapor, porque en este caso es factible escribir una ecuación para el rendimiento térmico y no en el caso de ciclos de vapor? 3. Demuestre con un grafico que para la misma relación de compresión el ciclo Diesel ideal tiene una eficiencia más baja que la del Otto ideal. b) Porque el ciclo Diesel se utiliza a relaciones de presión superiores?. Haga un esquema de los tres ciclos: Brayton, Diesel y Otto en una representación p-v. Transforme los ciclos a un diagrama T-s. 5. Haga un esquema de los tres ciclos: Brayton, Diesel y Otto en una representación p-v. Transforme los ciclos a un diagrama h-t. 6. Haga un esquema de los tres ciclos: Brayton, Diesel y Otto en una representación p-v. Transforme los ciclos a un diagrama h-p. 7. Cuales son las desviaciones en los ciclos reales de gas? Discuta los resultados. 8. Cuál es la diferencia más significativa entre un ciclo ideal y uno real? 9. Discuta el funcionamiento de una turbina de gas TG Porque se dice que el ciclo Otto es un ciclo de potencia de gas abierto? Explique brevemente el ciclo Otto. Porque en el caso del ciclo de gas puede darse la expresión del rendimiento térmico y no así en el caso de un ciclo de vapor Sobre la base de un diagrama p-v demuestre que la eficiencia de un ciclo Otto es mayor que la del Diesel si ambos ciclos trabajan con la misma relación de compresión Bajo que condiciones el ciclo Diesel puede llegar a ser mas eficiente que el Otto? 10. Cuál es la aplicación de los sistemas de refrigeración con gas? 11. Describa brevemente los principales ciclos de refrigeración: a) compresión de vapor, b) de absorción y c) Brayton invertido. 12. En los sistemas de refrigeración que utilizan vapor, el refrigerante se vaporiza y se condensa alternativamente. En los sistemas de refrigeración de gas, este permanece siempre como gas. Describa ambos casos e inscríbalos en un diagrama T-s y h-p. 13. Defina aire standard. Cuál es la suposición? 1. Defina relación de compresión y relación de presiones. Cuando se utilizan estas expresiones? 15. Porque en los ciclos Otto y Diesel se utiliza la relación de compresión? 16. En los cálculos para que casos se utiliza Pr y Vr? 17. Que mejoras propone para el ciclo Brayton a fin de mejorar el rendimiento térmico? 18. Se quiere utilizar la entalpía de los gases de escape de una TG, proponga métodos diferentes 19. Como puede generase vapor de agua? 20. Defina recalentamiento, sobrecalentamiento y regeneración. en que tipo de ciclo de potencia se aplica? 21. PROBLEMAS 1. La relación de compresión de un ciclo OTTO de aire standard es 9,5. Antes del proceso de compresión isentrópica, el aire está a 100 kpa 27º C y el volumen del cilindro 600 cc. La temperatura al final del proceso de expansión isentrópica es 800 K. Empleando valores de calores específicos VARIABLES (Tabla de aire como gas ideal SEMINARIO G CICLOS DE GAS: POTENCIA Y REFRIGERACIÓN 8

9 denominadas Tablas de Keenan y Kaye), completar la tabla y determinar: la temperatura y presión mas alta del ciclo la cantidad de calor transferido en kj el rendimiento térmico la presión media del ciclo Estado Temperatura Presión Energía interna Sº vr K kpa kj/kg kj/kg.k Croquizar el ciclo en un diagrama P-v y en uno T-s, indicando los puntos Croquizar el ciclo en un diagrama h-t y en otro h-p, indicando los puntos En un ciclo de potencia DIESEL la relación de compresión es rc= 1, la presión y temperatura al iniciarse el ciclo son 100 kpa y 15º C. Al final del calentamiento la temperatura es de 1650º C. Determinar para el ciclo: rendimiento térmico si el fluido es aire comparar el rendimiento con el de un ciclo OTTO de igual relación de comprensión Completar la tabla Estado Temperatura Presión Entalpía Sº pr vr K KPa kj/kg kj/kg.k Croquizar el ciclo en un diagrama P-v y en uno T-s, indicando los puntos Croquizar el ciclo en un diagrama h-t y en otro h-p, indicando los puntos Un ciclo BRAYTON opera con aire que entra al compresor a 0,95 bar y 22º C. La relación de presión es 6 y el aire sale de la cámara de combustión a 1100 K. Calcular los trabajos intercambiados por el compresor y la turbina de gas TG, la relación de trabajo y el rendimiento térmico para: un ciclo ideal (compresor y TG adiabática reversible) ciclo irreversible (con rendimiento isentrópico de 82% para el compresor y de 85% para la TG) el mismo ciclo irreversible del punto anterior, pero con la incorporación de un regenerador que tiene un rendimiento del 70% SEMINARIO G CICLOS DE GAS: POTENCIA Y REFRIGERACIÓN 9

10 . En el compresor de un ciclo BRAYTON de aire standard entra aire a 100 kpa y 300 K con un flujo volumétrico de 8 m 3 /s. La relación de compresión en el compresor es de 10. La temperatura de entrada en la turbina TG es 100 K. Determinar haciendo uso de las tablas de Keenan y Kaye (Tablas de aire como gas ideal): el rendimiento térmico del ciclo la relación de trabajos la potencia desarrollada Estado Temperatura Presión Entalpía kj/kg Sº kj/kg.k pr Croquizar el ciclo en un diagrama P-v y en uno T-s, indicando los puntos Croquizar el ciclo en un diagrama h-t y en otro h-p, indicando los puntos Un ciclo de refrigeración de GAS utiliza aire como el fluido de trabajo para mantener un espacio refrigerado a 18º C, mientras entrega calor hacia la atmósfera a 27º C. La relación de presión es. Determine: a. Las temperaturas máximas y mínimas en el ciclo b. Coeficiente de operación (COPR) c. Capacidad de enfriamiento o calor extraído del espacio refrigerado para un flujo másico del aire ( 0,05 kg/s) 6. Una central eléctrica de turbina de gas opera con un ciclo BRAYTON SIMPLE con aire como fluido de trabajo, entregando 120 MW de potencia. Las temperaturas máxima y mínima son 300 K y 1200 K, la presión a la entrada es de 0,1 MPa y la relación de compresión es de 10. SUPONER CALORES ESPECÍFICOS VARIABLES Considerando una eficiencia del 80% para turbina y del 100% para compresor: a) Hacer un esquema de la instalación, b) Representar el proceso en un diagrama P-v, T-s y h-p., c) hacer una tabla con los datos de los estados, d) determinar el caudal de aire requerido, e) la potencia de la TG y del compresor, f) la relación de trabajos, g) el rendimiento del ciclo, f) el flujo calórico cedido al medio. G) Hacer un diagrama energético, h) Proponga una mejora del ciclo SEMINARIO G CICLOS DE GAS: POTENCIA Y REFRIGERACIÓN 10

11 TERMODINAMICA B Curso 2017 Ingeniería Industrial Ingeniería Electricista FI - UNLP SEMINARIO H: EXERGÍA OBJETIVOS CONCEPTUALES: Realizar cálculos de exergía/ exergía destruida, balance exergético y rendimiento exergético. OBJETIVOS PROCEDIMENTALES: Utilización de diagrama entrópico. PREGUNTAS 1. Explique el significado de la exergía. Escriba las ecuaciones para su cálculo para un SC, SAP y SAnoP. 2. Escriba el balance entrópico, energético, exergético y de masa para válvula de estrangulamiento compresor Turbina adiabática reversible intercambiador de calor cámara de mezcla Turbina con pérdidas calóricas 3. Considere un deposito de energía térmica a 1500K que puede suministrar calor a razón de kj/h Determine la exergía si el medio está a 25º C.. Cuál es la diferencia entre trabajo reversible y exergía? 5. En que difiere el trabajo reversible del útil? Considere dos sistemas que están a la misma presión que el ambiente. El primer sistema está a la misma temperatura que el ambiente, en tanto que el segundo está a una temperatura más baja. Tienen igual exergía? Porque? 6. En un balance exergético hay exergías producidas (N), consumidas (D) y destruidas (Exd). Escribir tres ecuaciones para el rendimiento exergético en función de N, D y Exd PROBLEMAS PROPUESTOS 1. Una casa pierde calor a razón de kj/h, cuando la temperatura exterior es de 15 C y la temperatura interna es de 22 C. La temperatura interna se mantiene mediante una resistencia eléctrica alimentada por una central hidroeléctrica la cual se supone reversible. a) Calcule la entropía generada y la exergía destruida o irreversibilidad. b) Proponga una bomba de calor adecuada que reemplace a las resistencias, y determine y mínimo trabajo que se le debería suministrar a dicha bomba; en este caso calcule la exergía destruida. 2. Un flujo de vapor sobrecalentado VSC a 30 bar y 280º C entra a una válvula y sale de ella a una presión de 5 bar, tras sufrir un proceso de estrangulación. Determínese la exergía de flujo específico a la entrada y a la salida, así como las irreversibilidades, todos en kj/kg. Considere como condiciones del PUNTO MUERTO Tº = 25º C y Pº = 1 atm. 3. En un intercambiador de calor de superficie a contracorriente, uno de los flujos es aire comprimido que entra a 610 K y 10 bar y sale a 860 K y 9,7 bar. El otro flujo consiste en gases de combustión calientes que entra a 1020 K, siendo la presión a la entrada de 1,1 bar y de 1 bar a la salida. Cada corriente tiene un flujo másico de 90 kg/seg. La perdida de calor es despreciable, al igual que las variaciones de energía cinética y potencial. Considerando que la corriente de gases de combustión tiene propiedades de aire, considerado como gas ideal, determínese para el intercambiador de calor: a) la temperatura de salida de los gases de combustión en K b) la variación neta de Exergía de flujo de entrada y de salida para cada corriente en MW. c) la Exergía destruida por unidad de tiempo en MW. Las condiciones del PUNTO MUERTO Tº = 300 K y Pº = 1 bar. Seminario H EXERGÍA 11

12 TERMODINAMICA B Curso 2017 Ingeniería Industrial Ingeniería Electricista FI - UNLP. Un flujo de vapor de agua entra a una turbina con una presión de 30 bar, una temperatura de 00º C y a una velocidad de 160 m/seg. El vapor sale saturado a 100º C a una velocidad de 100 m/seg. En estado estacionario, la turbina produce 50 kj/kg vapor, la transferencia de calor entre la turbina y el entorno si la temperatura media de la superficie externa es igual a 350 K. Calcule la exergía neta que aporte el vapor al volumen de control por unidad de masa de vapor que atraviesa la turbina en kj/kg y la exergía destruida. Despréciese la variación de energía potencial entre la entrada y la salida. PUNTO MUERTO son Tº = 25º C y Pº = 1 atm. 5. Una máquina térmica recibe calor de una fuente a 1500 K a razón de 700 kj/seg y desecha calor de desperdicio a un medio a 320 K. La salida de potencia de la maquina térmica es de 320 kw. Determinar: a) la salida de potencia reversible, b) la irreversibilidad o exergía destruida, c) el rendimiento exergético de la maquina térmica, siendo las condiciones del Punto muerto Tº = 320 K y Pº = 0,1 kpa, d) Compare los resultados obtenidos si Tº es 298 K y Pº 0,1 MPa. 6. En una turbina adiabática TV se expande vapor de agua desde 3 MPa y 520º C saliendo a 0,30 MPa y 250º C, siendo el caudal másico de 5 kg/s en régimen estacionario. Calcular el rendimiento isentrópico, b) la entropía generada, c) el rendimiento exergético, d) la exergía destruida. Las condiciones del medio, PUNTO MUERTO son las siguientes: Tº = 300 K y Pº = 0,1 kpa. 7. Calcular la variación de la exergía del universo que se produce al enfriarse un cuerpo inicialmente a 1000 K, de capacidad calorífica igual a 0 kj/k hasta: a) 300 K, disipándose la energía en la atmósfera b) 300 K, intercalando entre el cuerpo y la atmósfera una maquina térmica que entrega trabajo de 10 MJ y calcular el rendimiento exergético del proceso. Considérese Tº = 293 K y Pº = 0,1 MPa 8. Se tiene un recipiente rígido y adiabático de volumen igual a 2 m 3, en el cual se ha hecho vacío. Se pone en comunicación este recipiente con la atmósfera Tº = 300 K y Pº = 0,1 MPa de forma de permitir que este se llene de aire. En el momento que se igualan las presiones se vuelve a cerrar el recipiente. Calcular: A) El estado final dentro del recipiente y la destrucción de exergía del universo. B) Si se intercala una turbina adiabática entre el recipiente y la atmósfera, indicar cual será el trabajo máximo que se puede obtener. C) Verificar que para este caso el rendimiento exergético es igual a uno. 9. Calcular la variación de exergía que sufre una masa de un kg de agua en estado liquido saturado a 0.1 MPa y que pasa finalmente a vapor saturado a la misma presión. Si el proceso se puede considerar a presión constante y la energía necesaria se la transmite a la masa de agua una resistencia eléctrica, calcular el rendimiento exergético del proceso. Punto Muerto: Tº= 293 K y Pº = 0,1 MPa 10. En una turbina que se encuentra trabajando a régimen permanente entra vapor de agua sobrecalentado a 3 MPa y 350º C, abandonando la turbina a 0,35 MPa y en estado de vapor saturado seco. Si la turbina es adiabática, determinar el rendimiento exergético e isentrópico. 11. Un recipiente rígido y aislado contiene refrigerante 13a inicialmente como vapor saturado a -28 C. El recipiente tiene un sistema de paletas interno, movido por un eje conectado a un motor eléctrico externo. Se conecta el motor a la red eléctrica, y las paletas agitan el refrigerante hasta que alcanza un estado cuya presión es de 1, bar. Se considera que la conversión de la energía eléctrica en trabajo mecánico en el motor tiene una eficiencia del 100% (no se crean irreversibilidades). Determínese: a) la exergía inicial, la exergía final y la variación que experimenta la exergía, del refrigerante, todas en kj; b) la exergía que ha suministrado la red eléctrica en kj c) la variación de exergía del sistema aislado formado por el recipiente, el motor y la red eléctrica. Compárese con la variación de la energía de dicho sistema aislado. Considerar Tº=293K y Pº=1bar. La masa del refrigerante es 1,11 kg. Seminario H EXERGÍA 12

13 TERMODINAMICA B Curso 2017 Ingeniería Industrial Ingeniería Electricista FI - UNLP 12. Un motor de combustión interna de un grupo electrógeno, expulsa gases de escape a 88 C y a una presión de 2 bar. El caudal de los gases de escape es 9,6 m3/min. El diámetro del conducto de escape es de 5 cm y se supone que la velocidad de los gases de escape es uniforme para todos los puntos de su diámetro. Calcule la exergía de los gases de escape, considerados estos como aire, que se comporta como un gas ideal. 13. El radiador de un motor de combustión interna de un grupo electrógeno, constituye un intercambiador líquidoaire. El agua con un caudal de kg/s ingresa al radiador a 90º C y sale de él a 82 C, con una presión de 1,2 bar, la cual se supone constante. El aire sale del radiador a 28º C y su caudal vale 213 m 3 /min. Se supone que ingresa a una presión de 1,3 bar y sale a 1,1 bar. Se desprecia la variación de energía cinética. Determinar: a) la temperatura de entrada del aire al radiador; b) la variación de la exergía de flujo entre la entrada y la salida de cada corriente y c) la exergía destruida por unidad de tiempo. Se supone que el aire se comporta como un gas ideal y se desprecia la pérdida de calor del radiador a través de su cobertura. Las variaciones de la energía potencial se desprecian. Tómese Tº = 300K y Pº =1 bar. 1. A una válvula ingresa vapor de agua a 10 MPa y 600 C, saliendo de la misma a 6 MPa. Luego ingresa a una turbina adiabática irreversible, produciéndose un aumento de entropía de 0.5 kj/kg K, saliendo por el escape a 0.05 MPa. El caudal es de 7500 kg/h. Utilizando los resultados obtenidos para el problema 5 del seminario D, calcular: a)la exergía destruida en la válvula y la turbina, mediante su respectivo balance, y verificar los resultados con las entropías generadas, b)el rendimiento exergético de la válvula y de la turbina. 15. Una cacerola de aluminio tiene un fondo plano cuyo diámetro es 20 cm. Se transfiere calor establemente al agua hirviente en la cacerola a través de su fondo a una tasa de 800 W. Si las superficies interior y exterior del fondo de la cacerola están a 10 C y 105 C respectivamente, determine la tasa de destrucción de exergía dentro del fondo de la cacerola durante este procedimiento en W. Considere To= 25º C. 16. En la tobera de un turborreactor entran gases de combustión calientes a 260 kpa, 77 C y 80 m/s, y salen a 70 kpa y 500 C. Suponga que la tobera es adiabática y que la temperatura de los alrededores es de 20 C. Determine: a) la velocidad de salida de los gases, b) la disminución de la exergía de los gases y c) rendimiento exergético de la tobera. Considere K =1.3, Cp=1.15 kj/kg C para los gases de combustión. 17. Un tanque rígido de 0.1 m3 contiene al inicio refrigerante 13a a 1MPa y título 1. El tanque se conecta mediante una válvula a una línea de alimentación que conduce refrigerante 13a a 1. MPa y 30 C. Después se abre la válvula para permitir que el refrigerante entre en el tanque y se cierra cuando el tanque contiene sólo líquido saturado a 1.2 MPa. El refrigerante intercambia calor con sus alrededores a 5 C y 100kPa durante este proceso. Determine: a) la masa de refrigerante que entra en el tanque, b) la exergía destruida en este proceso. 18. Un compresor de aire adiabático va a ser accionado por una turbina de vapor adiabática acoplada directamente, la cual acciona también a un generador. El vapor entra a la turbina a 12.5 MPa y 500º C a una relación de 25kg/s y sale a 10kPa y una calidad de El aire entra al compresor a 98 kpa y 295 K a razón de 10 kg/s y sale a 1 MPa y 550 K. Plantee el balance energético y el exergético para el sistema. (Plantee la ecuación general, explicando cada uno de los términos). Determine a) la potencia neta en MW que entrega la turbina al generador. B) la entropía generada en el compresor y en la turbina, c) la exergía destruida. 19. A una válvula ingresa vapor de agua a 10 MPa y 600 C, saliendo de la misma a 8 MPa. Luego ingresa a una turbina adiabática irreversible, produciéndose un aumento de entropía de 0.25 kj/kg K, saliendo por el escape a 0.05 MPa. El caudal es de 8000 kg/h. Calcular: a) la exergía destruida en válvula y turbina, b) el rendimiento exergético de válvula y de TV, c) la exergía destruida global, d) la fracción destruida en la turbina y en la válvula, e) hacer un diagrama exergético. Expresar los resultados en kw y/o %. Seminario H EXERGÍA 13

14 SEMINARIO I: CICLOS DE POTENCIA AVANZADOS: COMBINADOS. COGENERACION OBJETIVOS CONCEPTUALES: Conceptos fundamentales de ciclos combinados de gas-vapor. Cogeneración. OBJETIVOS PROCEDIMENTALES: Utilización de: Tabla de Aire - Tablas de vapor PREGUNTAS - PROBLEMAS 1. Defina cogeneración. Cuáles son las ventajas? En que casos es aplicable un sistema de cogeneración? 2. Porque se define un poder calorífico con dos valores PCS superior y PCI inferior? 3. Cuál es la diferencia entre una cámara de mezcla y una cámara de combustión?. Porque es necesario un exceso de aire en la combustión de un hidrocarburo en una cámara de combustión? 5. Una planta industrial tiene una demanda calórica de 100 Ton/h de vapor y una demanda eléctrica de 50 MW. Es factible diseñar un sistema de cogeneración que satisfaga ambas demandas? Discuta los resultados 6. Cuál es la ventaja de utilizar una caldera de recuperación? Cuáles son sus componentes y que función cumplen? Que efecto provoca el ensuciamiento de sus paredes? 7. Compare los rendimientos térmicos de ciclos simple de Rankine, Rankine regenerativo, un ciclo combinado. Cual es la ventaja del Ciclo Combinado? 8. Haga una descripción comparativa de una CALDERA CONVENCIONAL y una CALDERA de RECUPERACIÓN. Cuál es la ventaja de esta última y cual su utilidad? Dibuje el perfil de temperaturas. 9. Donde es factible colocar una caldera de recuperación además del ciclo combinado? 10. Cuál es el producto de: ciclo Brayton, ciclo Rankine, ciclo combinado, ciclo de cogeneración, ciclo combinado con cogeneración? 11. El ciclo de potencia combinado CC de gas-vapor (TG-TV) produce una potencia de 500 MW. Está compuesto por un ciclo superior de turbina de gas TG tiene una relación de presión de 8. El aire entra al compresor a 300 K, 100 kpa y a la TG a 1200 K. El rendimiento isentrópico del compresor es de 80% y el de la TG 86%. El ciclo inferior es un ciclo de vapor RANKINE ideal con sobrecalentamiento. A la TV entra vapor a 8 MPa y sale a 5 kpa. El vapor se calienta en un intercambiador de calor por medio de los gases de escape de la TG hasta una temperatura de 500º C. Los gases de escape salen del intercambiador de calor a 50 K. Determinar el flujo de masa de vapor el flujo de masa de los gases de combustión la eficiencia térmica del ciclo combinado la entropía generada y la exergía destruida en todos los equipos, a excepción de la caldera Croquizar en diagramas T-s, uno para el de gas y otro para el de vapor. Hacer un esquema energético y uno exergético Considere que la fuente que cede calor al ciclo está a 100 K, y que el ciclo cede calor al ambiente que se encuentra a 300 K. 12. Una planta de procesamiento de alimento requiere 6 kg/s de vapor saturado a 0,5 MPa, el cual se extrae de la turbina de una planta de cogeneración. La caldera genera vapor a 8 MPa y 500º C a razón de 15 kg/s, la presión del condensador es de 15 kpa. El vapor sale del calentador del proceso como liquido saturado. Después se mezcla con el agua de alimentación a la misma presión y esta mezcla se bombea hasta la presión de caldera. Las bombas y la turbina tienen un rendimiento isentrópico del 80%. Determinar: la transferencia térmica de la caldera la salida de potencia de la planta de cogeneración Hacer un esquema de la instalación y croquizar en un diagrama T-s. Calcular la exergía destruida en la planta de producción de alimentos. Hacer un esquema energético y uno exergético SEMINARIO I CICLOS DE POTENCIA AVANZADOS: COMBINADOS - COGENERACION 1

15 13. Un ciclo combinado CC TG-TV produce una potencia neta de 1000 MW. El aire entra al compresor a 100 kpa y 300 K y se comprime hasta 1200 kpa. El rendimiento isentrópico del compresor es del 8%. Las condiciones de entrada a la TG son 1200 kpa y 100 K. El aire se expande a través de la turbina que tiene un rendimiento isentrópico del 88% hasta 100 kpa. El aire pasa después por un intercambiador de calor descargándose finalmente a 80 K. A la turbina del ciclo de vapor de agua entra vapor a 8 MPa y 00º C y se expande hasta la presión del condensador de 8 kpa. La turbina y la bomba tienen rendimiento isentrópico de 90% y 80%. Croquizar en un diagrama T-s del ciclo de gas y del de vapor. Hacer el análisis termodinámico según la 1º Ley, determinar Flujo calórico de entrada y salida potencias involucradas relación de trabajos en ambos ciclos flujo másico de vapor flujo másico de los gases de combustión o gases de escape eficiencia térmica del ciclo de vapor, de gas y global del ciclo combinado Flujo calórico intercambiado entre ambos ciclos. Diagrama energético Hacer el análisis termodinámico según la 2º Ley y determinar las exergías producidas o recuperadas, exergías consumidas o suministradas y exergías destruidas en todos lo equipos, SALVO EN LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN DE TG. rendimiento exergético de cada ciclo y del ciclo combinado Entropía generada en todos lo equipos, SALVO EN LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN DE TG (combustor) Diagrama exergético En el análisis no incluir las entropías y exergías que incluyen al combustor SEMINARIO I CICLOS DE POTENCIA AVANZADOS: COMBINADOS - COGENERACION 15

16 Para el CICLO BRAYTON Los valores del ciclo están calculados usando Tablas de Keenan & Kaye. Temperatura Presión Entalpía Entropía T P h sº K kpa kj/kg kj/kg. K Estado de agregación * * CICLO RANKINE SOBRECALENTADO Temperatura Presión Volumen Entalpía Entropía Titulo Estado de T P v h s x agregación º C MPa m 3 /kg kj/kg kj/kg. K % 6* LCOMP 6 8 LCOMP VSC 8* VH VH LSAT 1. Que se entiende por COGENERACIÓN? De ejemplos de aplicación. Cuando es factible utilizar este sistema? Donde se aplica? Cuáles son las ventajas? Haga un esquema de un sistema a vapor y otro de gas SEMINARIO I CICLOS DE POTENCIA AVANZADOS: COMBINADOS - COGENERACION 16

17 SEMINARIO J: ACONDICIONAMIENTO OBJETIVOS CONCEPTUALES: Conceptos fundamentales de - Humedad absoluta ( especifica) - Humedad relativa - Entalpía del aire seco - Punto de rocío - Temperatura de bulbo húmedo - Temperatura de bulbo seco Aplicaciones - Humidificación- Acondicionamiento de ambientes - Torres de enfriamiento - Transferencia del calor - Enfriamiento / Calentamiento - Enfriamiento evaporativo - Recuperación del calor OBJETIVOS PROCEDIMENTALES: Utilización de Diagrama Psicométrico ACLARACION: kg ag/ kg as = kg agua/ kg de aire seco KJ /kg as = kj/ kg de aire seco PREGUNTAS Y PROBLEMAS 1. Explique brevemente el funcionamiento de una torre de refrigeración. Cuál es su utilidad? 2. Donde es factible colocar una torre de refrigeración? B) Que fluidos pueden enfriarse utilizando esta torre? C) Que diferencia existe entre una de tiro natural y otra de tiro forzado?, E) Que diferencia térmica máxima se consigue entre la entrada y la salida? Puede enfriarse vapor de agua en este sistema? 3. Para que sirve una torre de enfriamiento? Describe su funcionamiento. Donde se aplica? Puede utilizarse una torre de enfriamiento para enfriar aceite?. Porque se debe reponer agua en una torre de enfriamiento? De qué orden es este caudal? 5. De qué orden es la diferencia de temperaturas del agua a la entrada y salida de una torre de enfriamiento? 6. Cuáles son los balances que deben plantearse en problemas de acondicionamiento? 7. A que se denomina enfriamiento evaporativo? Sucede en climas húmedos? 8. El vapor de agua puede tratarse como gas ideal? Justifique 9. Como puede medirse la humedad absoluta o relativa? 10. Cuando son idénticas las temperaturas de bulbo seco, húmedo y punto de rocío? 11. Como se humidifica? Como se deshumidifica? Explique 12. Cuál es la función de mezclar corrientes de aire? Como y para que se hace? 13. Puede utilizarse el diagrama psicométrico cuando la presión es de 110 kpa? Justifique 1. Porque son diferentes las temperaturas de bulbo seco y de bulbo húmedo? De qué depende la diferencia? 15. Cuál es la función del humificador en procesos de calentamiento? 16. En muchos sistemas de calefacción residenciales frecuentemente se utilizan estufas, bombas de calor o calentadores de resistencia eléctrica (tipo cuarzo). El aire se calienta al circular por un ducto que contiene tubos (intercambiadores de calor) o bien resistencias eléctricas. Permanece la humedad absoluta y relativa constante durante el proceso? 17. Un tanque contiene 21 kg de aire seco y 0.3 kg de vapor de agua a 30º C y 110 kpa de presión total. Determinar: humedad absoluta (especifica) Rta: 0,013 kg.ag/kg as. humedad relativa 58% volumen del tanque m 3 SEMINARIO J ACONDICIONAMIENTO 17

18 18. Un cuarto contiene aire a 20º C y 98 kpa y una humedad relativa del 85%. Determinar : presión parcial del aire seco Rta: 96,01 kpa. humedad absoluta ( especifica) 0,01288 kg ag/ kg as entalpía por unidad de masa de aire seco 52,79 kj /kg 19. Determinar la masa de aire seco y de vapor de agua contenido en un local de 120 m 3 a 98 kpa, 23ºC y 50% de humedad relativa. Rta: m (aire) = 136,5 kg m(vapor de agua)=1,23 kg 20. El aire de una habitación tiene una temperatura de bulbo seco de 22º C y una temperatura de bulbo húmedo de 16º C Suponiendo que la presión es de 100 kpa, determine: a. humedad especifica Rta: 0,00901 kg ag /kg as b. humedad relativa 53,9% c. temperatura de punto de rocío 12,3º C d. entalpía por kg de aire seco 21. Un cuarto está a 1 atm, 32ºC y 60% de humedad relativa. Mediante el diagrama determine: a. humedad especifica b. entalpía por kg de aire seco c. temperatura de bulbo húmedo d. temperatura de punto de rocío e. volumen especifico del aire 22. En un cuarto el aire tiene una presión de 1 atm, una temperatura de bulbo seco de 2º C y una temperatura de bulbo húmedo de 17º C. Con el diagrama psicométrico determinar: a. humedad especifica b. entalpía por kg de aire seco c. humedad relativa d. temperatura de punto de rocío e. volumen especifico del aire 23. En una sección de calentamiento entra aire a 95 kpa, 15º C y 30% de humedad relativa a razón de 6 m 3 /min y sale a 25º C. Determinar: a. la transferencia de calor en la sección de calentamiento en kj/min Rta: 69,35 kj/min b. la humedad relativa del aire a la salida 16,1 % 2. En una sección de enfriamiento de 0 cm de diámetro entra aire a 1 atm, 32º C y 30% de humedad relativa y 18 m/s. El calor se extrae del aire a razón de 1200 kj/min. Determine: a. la temperatura de salida c. la humedad relativa del aire a la salida b. la velocidad de salida 25. Aire a 1 atm, 15º C y 60 % de humedad relativa se calienta primero hasta 20º C en la sección de calentamiento y luego se humidifica introduciendo vapor de agua. El aire sale de la sección de humidificación a 25º C y 65% de humedad relativa. Determine: a. La cantidad de vapor añadida al aire en kg/kg aire seco b. La cantidad de calor transferida al aire en la sección de calentamiento en kj/kg as. SEMINARIO J ACONDICIONAMIENTO 18

19 26. En un enfriador evaporativo entra aire a 1 atm, 36º C y 20% de humedad relativa a una relación de 10 m 3 /min, saliendo con una humedad del 90%. Determine a) la temperatura de salida del aire, b) la relación requerida de suministro de agua al enfriador evaporativo. 27. Explique cómo puede enfriarse agua en una jarra utilizando corrientes de aire caliente 28. Considere la mezcla adiabática de dos corrientes de aire. Donde se ubica el estado de la mezcla en la carta psicométrica en función del estado de las 2 corrientes? 29. Dos corrientes de aire se mezclan permanentemente y adiabática mente. La primera corriente entra a 32º C y 0% de humedad relativa y a razón de 20 m 3 /min, en tanto que la segunda corriente entra a 12º C y 90% de humedad relativa y a razón de 25 m 3 /min. Suponga que el proceso de mezcla sucede a una presión de 1 atm y determine: a. humedad especifica b. temperatura de bulbo seco b. relación de flujo de la mezcla 30. Una torre de enfriamiento va a enfriar 60 kg/s de agua desde 0º C hasta 26º C. En la torre entra aire atmosférico con una temperatura de bulbo seco de 22º C y húmedo de 16º C, saliendo a 31º C con una humedad relativa del 90%. Con el diagrama psicométrico, determinar: a. la relación de flujo de masa de aire dentro de la torre b. la relación de flujo de masa de agua que se pierde por evaporación (agua de reposición) SEMINARIO J ACONDICIONAMIENTO 19