“rediseÑo del laboratorio de fisicoquimica” prácticas …

UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVARFACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL

LABORATORIO DE FISICOQUIMICA”

Prácticas de Laboratorio de Fisicoquímica:

Informe de Proyecto de Tesis Presentado por:

INGENIERO QUIMICO INDUSTRIAL

UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR FACULTAD DE INGENIERIA

INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL

“REDISEÑO DEL LABORATORIO DE FISICOQUIMICA”


Ciclo de Carnot.

Informe de Proyecto de Tesis Presentado por:Roberto Santizo Corona

Para optar al Título de: INGENIERO QUIMICO INDUSTRIAL

Guatemala, mayo de 1998

LABORATORIO DE FISICOQUIMICA”


Informe de Proyecto de Tesis Presentado por:

AUTORIDADES DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR RECTOR: Lic. Gabriel Medrano Valenzuela VICE RECTOR GENERAL: Licda. Guillermina Herrera. VICE RECTOR ACADEMICO: Lic. Charles Beirnes S.J. SECRETARIO GENERAL: Lic. Guillermo Aráuz Aguilar. DIRECTOR FINANCIERO: Lic. Luis Felipe Cabrera Franco. DIRECTOR ADMINISTRATIVO: Lic. Tomás Martínez Cáceres. SUB DIRECTOR ADMINISTRATIVO: Arq. Mario Humberto Gabriel.

AUTORIDADES DE LA FACULTAD DE INGENIERIA

DECANO: Ing. Jorge Enrique Lavarreda Grotewold VICEDECANO: Ing. Sofía Fernández de Barrios SECRETARIO: Ing. Carlos Enrique García Bickford DIRECTOR DE INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL: Ing. Luis Vicente Chávez De L eón DIRECTOR DE INGENIERIA CIVIL ADMINISTRATIVA: Ing. Pierre Castillo Contoux DIRECTOR DE INGENIERIA MECANICA INDUSTRIAL: Ing. José Luis Mendoza Alvara do DIRECTOR DE INGENIERIA INDUSTRIAL: Ing. Jorge Edgar Nadalini Lemus DIRECTOR DE INGENIERIA EN INFORMATICA Y SISTEMAS: Ing. Mario Enrique Sosa Castillo COORDINADOR DE CARRERAS TECNICAS: Ing. Carlos Eugenio Alvarado Galindo

DIRECTOR DEL PROGRAMA DE MAESTRIA EN ADMINISTRACION INDUSTRIAL: Ing. Carlos Antonio Spiegeler Castañeda REPRESENANTES DE CATEDRATICOS: Ing. Eduardo Barrios Bathen Ing. Juan Carlos Galindo. REPRESENTANTE ESTUDIANTIL: Br. Jorge Rafael Recinos Umaña Br. Arturo Solares.

TRIBUNAL QUE PRACTICARA EL EXAMEN PRIVADO DEL TRABAJO DE GRADUACION

Ing. Luis Vicente Chávez De León Ing. Gamaliel Zambrano Ing. Roberto Palacios ASESOR DEL TRABAJO DE GRADUACION: Ing. Paulo Emilio Herrera Morales

ACTO QUE DEDICO A Dios: Fuente de sabiduría, de amor y paciencia; por iluminarme y

permitirme culminar mi carrera profesional.

A mis padres, René Santizo Elisa de Santizo: Por apoyarme incondicionalmente a lo largo de mi vida y

brindarme lo necesario para alcanzar esta meta. A mi tía, Herminia Santizo: Quien con su cariño apoyo y confianza me ha ayudado a culminar

las metas propuestas a lo largo de mi carrera. A mis hermanos: Por el apoyo que me brindaron.

AGRADECIMIENTO A todas las personas que de una forma u otra, me han ayudado y apoyado en la culminación de mi carrera especialmente a: Licda. Marta Lucrecia Gil Mendizabal. Ing. Luis Vicente Chávez De León. Ing. Paulo Emilio Herrera Morales. Ing. Roberto Palacios.

CONTENIDO APROBACION I DEDICATORIA II AGRADECIMIENTOS III CONTENIDO IV GLOSARIO VI RESUMEN X CAPITULO 0: INTRODUCCION 1 0.1 JUSTIFICACION 2 0.1.1 Antecedentes 3 0.1.2 Situación actual del laboratorio de Fisicoquímica 4 0.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

5 0.3 OBJETIVOS

5 0.3.1 Objetivos Generales 5 0.3.2 Objetivos Específicos 5

0.3 ASPECTO METODOLOGICO 6

CAPITULO 1: EVALUACION DE LAS NECESIDADES DE LA IND USTRIA GUATEMALTECA Y DE LAS PREFERENCIAS LABORALES DE ESTUDIANTES DE INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR 7

1.1 PERSPECTIVA PARA EL PROFESIONAL DE LA INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL EN GUATEMALA ANTE LA APERTURA COMERSIAL DE SERVICIOS PREVISTA PARA EL AÑO, 2001 7

1.2 ANALISIS DE RECONVERSION INDUSTRIAL. 9

1.2.1 OPTIMIZACION DE PROCESOS 10 1.2.2 DISMINUCION DE COSTOS

10 1.2.3 PRODUCCION DE ARTICULOS CON ALTOS PATRONES DE

CALIDAD 10

1.3 ENFOQUE DEL ESTUDIANTE DE INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR. 11

1.4 ANALISIS DEL AREA DE DESARROLLO DEL PROFESIONAL DE LA INGENIERIA QUIMICA 14 1.4.1 REQUERIMIENTOS DEL AREA PROFESIONAL 14 1.4.2 AREAS DE DESARROLLO ACTUAL DEL PROFESIONAL 17

CAPITULO 2: MARCO TEORICO: CICLO DE CARNOT 19 2.1 INTRODUCCION 19 2.2 CICLO DE CARNOT. 19 2.2.1. Tipos de ciclo de Carnot 25 2.2.1.1. Ciclo de Carnot reciprocante. 25 2.2.1.2. Ciclo de Carnot abierto

27 2.2.1.3. Ciclo de vapor de Carnot. 30 2.2.1.4.Ciclo de Rankine.

31 CAPITULO 3: UTILIZACION DE UN PROGRAMA SIMULADOR POR COMPUTADORA PARA LA APLICACIÓN DEL CICLO DE CARNOT 34 3.1 INTRODUCCION. 34 3.2 BREVE INTRODUCCION DE LAS APLICACIONES QUE PRESENTA EL

CYCLEPAD. 34

3.2.1. CICLO DE CARNOT ABIERTO. 35

3.2.2. CICLO DE CARNOT DE VAPOR. 48

3.3 OBSERVACION FINAL. 56 CAPITULO 4: PRACTICAS DE LABORATORIO PROPUESTAS

PARA EL CICLO DE CARNOT 61 4.1 EQUIPO NECESARIO

61 4.1.1. Análisis de los intercambiadores de calor

61 4.1.1.1 Información general. 61 4.1.1.2 Descripción de la práctica. 61 4.1.2. Análisis de la Caldera. 64 4.1.2.1 Información general. 64 4.1.2.2 Descripción de la práctica 65 4.1.3. Estudio de una turbina tipo Pelton. 67 4.1.3.1 Información general. 67 CONCLUSIONES XII RECOMENDACIONES XIII BIBLIOGRAFIA XIV REFERENCIAS VIRTUALES XIV ENTREVISTAS XIV APENDICE A: INFORMACION COMPLEMENTARIA SOBRE LA EVALUACION DE LAS NECESIDADES DE LA INDUSTRIA GUATEMALTECA Y DE LAS PREFERENCIAS LABORALES DE ESTUDIANTES DE INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR APENDICE B: INFORMACION ADICIONAL DE MANUALES VARIOS.

RESUMEN

El vínculo que existe entre el sector productivo de un país y su sector académico se establece por medio del trabajo que los profesionales desempeñan para desarrollo y progreso de la sociedad. Es por ello, que las universidades deben tomar acciones constantes para permanecer actualizadas y proporcionar una adecuada preparación académica que esté de acuerdo a alas exigencias de la sociedad mundial. Esta preparación debe estar dirigida tanto a los estudiantes regulares, como a los profesionales ya egresados de las aulas universitarias. Para el principio del próximo siglo, se espera la implementación de un tratado de libre comercio en toda la región latinoamericana (ALCA). Este tratado contempla la liberalización de la prestación de servicios, lo que significa que los profesionales de la región podrán desarrollar su actividad en cualquiera de los países de la región. La realización de prácticas de laboratorio de las materias fundamentales de las diversas ramas de la Ingeniería, es muy importante, ya que es en esta área donde se aplica el conocimiento adquirido de los cursos teóricos por medio del estudio e investigación aplicada realizada en un 95% por el alumno. Por medio del rediseño de los laboratorios, se espera proporcionar al estudiante la oportunidad de contar con mejores herramientas para su desarrollo profesional. En particular, el presente trabajo está enfocado al curso de Fisicoquímica. El tema presentado se titula “Rediseño del laboratorio de Fisicoquímica. Práctica del laboratorio de Fisicoquímica: Ciclo de Carnot”. En Ingeniería Química y Mecánica, es muy importante saber los principios de las máquinas térmicas, ya que éstas son los aparatos que permiten aprovechar el calor y transformarlo en trabajo útil. Entonces, es muy importante aprender a reconocer físicamente cuáles son los elementos que forman a estos equipos. En su interés por educar de manera integral a futuros profesionales para que lleguen a ser competitivos a nivel latinoamericano, la Universidad Rafael Landívar ha planificado adquirir sofisticados programas de simulaciones: a) El Pro II con Provision, orientado específicamente a la Ingeniería Química; y b) El Cyclepad, orientado específicamente a las máquinas térmicas. El programa Cyclepad tiene como finalidad, a corto plazo, ahorrar a la Universidad los costos de la implementación de un laboratorio formal de máquinas térmicas para las escuelas de Ingeniería Química y de Ingeniería Mecánica, y su finalidad inmediata es conseguir que los estudiantes apliquen sus conocimientos teóricos para realizar un análisis práctico lo más cercano posible al trabajo real de las máquinas térmicas. Para usar los programas computarizados de simulación, el usuario debe de saber qué hacer con los datos que le proporcionan. Es decir, debe reconocer una turbina adiabática, o un proceso isentrópico, al mismo tiempo que debe tener claro el concepto de qué temperatura es la máxima y qué temperatura es la mínima en el ciclo. El usuario debe ingresar únicamente el tipo de operación (adiabática, isotérmica, isocórica, etc.) y el programa se encargará de efectuar los cálculos numéricos.

Por otra parte, aun cuando el usuario esté familiarizado con la teoría del ciclo de que este analizando, debe tener cuidado al ingresar los datos, pues el ingreso de contradicciones hace que el programa despliegue pantallas donde se muestran los errores. Didácticamente, ésta es una gran ventaja del programa Cyclepad, ya que el usuario observa donde están todas y cada una de las contradicciones que ocurrirían en el ciclo que está analizando, si se mantuvieran los datos que él ingresó. A fin de eliminar las contradicciones, el programa invita al usuario a eliminar uno o varios de los datos ingresados, explicando las razones por las que esto debe de hacerse. Podría argumentarse que el programa elabora todos los cálculos automáticamente y que el usuario no sabe qué es lo que sucedió; pero debe indicarse que existe la opción de preguntarle al programa información como: a) Ecuaciones utilizadas para efectuar los cálculos; b) Propiedades que están relacionadas unas con otras; c) Suposiciones que se hicieron; d) Significado de los resultados; e) Información global sobre el ciclo, etc. Asimismo, el Cyclepad permite que el usuario modifique datos del ciclo, a fin de obtener la eficiencia óptima. En este punto, el lector puede pensar que la información que debe saber el usuario es trivial y evidente al ver el ciclo. Debe recordarse que muchos problemas de aplicación sobre el ciclo de Carnot no muestran diagrama alguno, y esto hace que numerosos estudiantes no tengan claros los conceptos arriba indicados al momento de resolver los problemas. Luego de analizar los ciclos de Carnot, que existen mediante el programa Cyclepad, se determinó que la implementación de las prácticas de laboratorio sobre el mismo se facilitarían si se trabajara con el Ciclo de Carnot de vapor, debido a que el 75% del equipo necesario para las mismas ya existe en la universidad. Teniendo esto presente, se decidió que las prácticas sean: a) Operación de calderas; b) Operación de intercambiadores de calor y c) Operación de turbinas Pelton.

CAPITULO 1

EVALUACION DE LAS NECESIDADES DE LA INDUSTRIA GUATEMALTECA Y DE LAS PREFERENCIAS LABORALES DE ESTUDIANTES DE INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL DE LA

UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR 1.1 PERSPECTIVA PARA EL PROFESIONAL DE LA INGENIERI A QUIMICA

INDUSTRIAL EN GUATEMALA ANTE LA APERTURA COMERCIAL DE SERVICIOS PREVISTA PARA EL AÑO 2,001 (Ref. 4)

Como parte de la celebración de los 50 años de la ley de colegiación profesional obligatoria, se realizó en Guatemala el congreso denominado: "El reto profesional ante el inicio del nuevo milenio: el impacto de los tratados de libre comercio en el área de los servicios profesionales".

En este congreso, que participaron distinguidos profesionales nacionales y extranjeros, se hizo conciencia, entre los asistentes, de que es necesario afrontar con estrategias coherentes y efectivas la globalización de servicios profesionales.

Los servicios profesionales han sido una ocupación que se basa en una formación superior especializada, cuya finalidad es proporcionar asesoramiento o servicios a un usuario a cambio de una contraprestación directa y específica, sin esperar otros beneficios comerciales.

Normalmente, los servicios profesionales han sido reglamentados por disposiciones gubernamentales y por los colegios profesionales organizados por cada carrera. Estas disposiciones gubernamentales se crean a petición de las organizaciones profesionales. Estos últimos, así como los colegios, se crean bajo las normas y criterios que la Ley de Colegiación Profesional Obligatoria establece y son las instituciones que fijan las normas y disposiciones bajo las cuales se regirá el servicio profesional.

Tanto las regulaciones gubernamentales, como las establecidas por los colegios profesionales, y otras barreras impuestas para el libre ejercicio de una profesión para personal con nacionalidad distinta a la del país en que se encuentre, permite a los profesionales del país manejar un mercado en forma exclusiva, ofreciendo los servicios profesionales en la mejor forma que se crea conveniente. En muchos casos, esto genera profesionales conformistas que creen estar ofreciendo lo mejor de sí, máxime si es una especialidad en la cual se está teniendo un regular éxito.

Así las cosas, muchos profesionales consideran que con sólo tener un título universitario han cubierto su capacidad académica y que, por lo mismo, se encuentran en excelentes condiciones para el ejercicio de su profesión. Esto ha hecho que se despreocupen de: (a) actualizarse, (b) obtener nuevos títulos académicos, (c) especializarse, y (d) aumentar su caudal de conocimientos.

Hoy en día, el mundo entero habla de globalización; unión de países para la creación de grandes zonas de libre comercio; tratados de libre comercio que crean la formación de potentes alianzas entre países, eliminación de barreras que obstaculizan el libre comercio, etc. Se habla ya de libre circulación de personas, de capital y de servicios (incluyendo los servicios profesionales).

Sobre la globalización, es muy prematuro aventurar con certeza qué sucederá o podrá suceder en el mediano o largo plazo. Sin embargo, se debe indicar que no se está trabajando en el ámbito nacional para establecer un esquema adecuado que cubra todas las inquietudes y problemas para el ejercicio profesional, y por lo tanto, se está dejando la puerta abierta para que exista un traslado masivo de profesionales de otras latitudes que buscarán oportunidades en el país. De más está indicar que al ritmo que van las cosas, estos profesionales extranjeros encontrarán poca o

ninguna resistencia a sus actividades.

Las instituciones gubernamentales dedicadas a la educación superior, así como muchos colegios profesionales no se habían tomado la molestia de investigar de qué se trata una negociación de libre comercio, pues se sentían protegidos por las disposiciones legales que existen en la Constitución Política de la República. Consideraban estas instituciones que la firma de un Tratado de Libre Comercio no iba a influir en ellos y por consiguiente, no los iba a obligar a adoptar un cambio de actitud.

El impacto negativo de los tratados internacionales de libre comercio puede enfocarse de la siguiente forma:

1. Dada la idiosincrasia del país y los problemas de identidad nacional, los profesionales extranjeros

tendrán un mercado muy fértil para lograr sus objetivos.

2. El profesional nacional que no ostente una especialidad o que no haya logrado obtener un

mercado sólido sobre la base de su capacidad, competencia y confianza en los servicios ofrecidos, se verá desplazado por profesionales extranjeros.

3. El exceso de oferta tendrá como consecuencia una rebaja sustancial en los honorarios

profesionales y, por consiguiente, muchos profesionales van a considerar que el fruto de su trabajo no es compensado adecuadamente. Esto dará como resultado un aumento en la deserción.

4. En muchos casos, se considera que la capacidad profesional de los países más desarrollados es

mejor que la de los nacionales. Por consiguiente, los extranjeros pueden fácilmente desplazar a los profesionales guatemaltecos, obligando a estos últimos a desarrollar actividades que no son propias de su profesión.

5. La firma de un Tratado de Libre Comercio implica: (a) no-discriminación, y (b) eliminación,

modificación o negociación de barreras. Estos cambios traerán una modificación en la actitud de los profesionales nacionales, pues éstos no está acostumbrados ni preparados para competir internacionalmente.

Ahora bien, también existe la contraparte positiva del impacto de los tratados, la cual puede resumirse de la siguiente forma: 1. Habrá creación de nuevas y grandes empresas que permitirán que los profesionales nacionales

pueden ingresar a éstas, pudiendo hacer carrera en ellas. Incluso, puede pensarse en que estos profesionales, podrían llegar a ser miembros de confianza o escalar posiciones ejecutivas en aquellos países en donde la empresa tenga negocios.

2. El ingreso de profesionales, con mejor capacidad académica, hará que el mercado sea más

competitivo.

3. Los profesionales en las diferentes disciplinas buscarán especializarse o elevar su

nivel curricular para poder optar a mejores oportunidades en un mercado que será mucho más amplio que el actual.

4. Las instituciones educativas, que por alguna circunstancia preparen profesionales con

baja capacidad académica, se sentirán obligadas a: (a) mejorar su pensum académico,

y (b) revisar, reformar y actualizar sus planes de estudio, pues en caso de no hacerlo, su futuro se presenta incierto.

5. Uno de los beneficiarios de la liberalización será el usuario, ya que la competitividad

y posible exceso de oferta, podrían abaratar el costo de los servicios y proporcionar mayores alternativas para decidir.

1.2 ANALISIS DE RECONVERSION INDUSTRIAL (Refs. 2 y 5) Como se mencionó en la sección 1.1, la apertura de mercados de servicios obligará a los profesionales graduados a elevar sus conocimientos para poder competir. Lo mismo está sucediendo actualmente con la industria nacional: la apertura de mercados comerciales la ha obligado a recurrir a los procesos de reconversión. Esta reconversión industrial trae consigo implicaciones directas en el profesional de la ingeniería, implicaciones adicionales a las propias de la apertura del mercado de los servicios profesionales.

La reconversión industrial debe entenderse como aquél proceso mediante el cual la pequeña y mediana industria especialmente, se ven obligadas a optimizar sus procesos, reducir sus costos y lograr un producto de calidad a un bajo precio y un servicio aceptable, todo con el fin de poder mantenerse en un mercado altamente competitivo. Las industrias que recurren a los procesos de reconversión son aquellas en las cuales se tiene desventaja en cuanto a aspectos técnicos y capacidad de inversión.

El papel del Ingeniero Químico, a corto plazo, deberá abarcar cinco aspectos importantes: (a) supervivencia personal dentro de un mercado de servicios bastante grande y diverso; (b) optimización de procesos; (c) disminución de costos; y (d) producción de artículos con altos patrones de calidad.

La definición del punto (a) referente a la supervivencia personal del profesional dentro de un mercado abierto, se ha descrito ampliamente en la sección 1.1 por lo que se definirán los otros aspectos.

1.2.1 OPTIMIZACION DE PROCESOS

Actualmente, el profesional de ingeniería química se ha convertido en un operador más que en un ingeniero. La principal razón de esto es el conformismo empresarial existente; es decir, los industriales se conforman con la ganancia actual que perciben, la cual es estable debido a lo reducido del mercado para el que producen.

Así pues, de nada le sirve al profesional saber diseñar procesos, puesto que

nunca va a utilizar esto en el medio actual. Ante la perspectiva de una globalización inminente, el panorama industrial

cambiará drásticamente: sobrevivirán únicamente dos tipos de industrias. La primera, será aquella que logre presentar un producto que sea competitivo a nivel mundial; la segunda, aquella que logre proporcionar un producto de bajo costo de producción y de venta, que sea accesible para las mayorías de escasos recursos.

Los ingenieros químicos, para poder acoplarse a esta situación, deberán ser capaces de optimizar los procesos de las industrias en que se encuentren. : Por ejemplo, si se dispone de máquinas generadoras de potencia muy poco eficientes, es posible rediseñar ciclos de potencia que se acerquen a la eficiencia máxima que es la eficiencia de Carnot, sólo se puede lograr obteniendo la base de los conocimientos del Ciclo de Carnot, a fin de que se logre una optimización máxima de recursos.

En resumen, el ingeniero químico deberá optimizar el equipo con que ya cuenta,

en lugar de diseñar completamente una planta nueva. Con esto, aprovechará el recurso ya existente y minimizará la necesidad de inversiones.

1.2.2 DISMINUCION DE COSTOS

Por medio de la redistribución de las industrias en la optimización de los

procesos de producción, se podrá maximizar los recursos, mediante procesos eficientes. Esto permitirá reducir y controlar los costos de producción, lo que a la larga permitirá obtener una posición competitiva dentro del mercado.

La disminución de costos deberá entonces entenderse como la redistribución de

los recursos existentes, más que como la eliminación de ciertos sectores de la producción.

1.2.3 PRODUCCION DE ARTICULOS CON ALTOS PATRONES DE CALIDAD

Por medio de la implementación de una cultura de calidad, que va desde la

adquisición de materia prima, cumpliendo con los estándares requeridos, pasa a lo largo de todo el proceso de conversión, y llega al cliente final con productos que satisfacen las necesidades de este último, se logran reducir los costos por la eliminación de correcciones innecesarias, al mismo tiempo que se optimiza el tiempo de producción requerido y la cantidad de materia prima utilizada.

El ingeniero químico deberá estar convencido de que la calidad es la principal

arma competitiva que tendrá. A fin de que esto se logre, es necesario que los estudiantes aprendan la cultura de calidad en las diferentes universidades, y lo hagan parte de sus actividades cotidianas. Esto no implica la creación de cursos específicos de calidad, sino más bien, la implementación de una cultura de calidad en el seno de las universidades.

Una cultura de calidad universitaria no es únicamente un excelente nivel

académico, sino la prestación de servicios que satisfagan las expectativas de los usuarios de sus diferentes dependencias administrativas.

Se puede concluir, entonces, que el estudiante de ingeniería aprenderá de los

procesos de calidad mediante ejemplos que observará en sus actividades universitarias cotidianas. 1.3 ENFOQUE DEL ESTUDIANTE DE INGENIERIA QUIMICA

INDUSTRIAL DE LA UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR Antes de conocer lo planteado por los profesionales guatemaltecos colegiados durante

congreso de 50 Años de la Colegiación Obligatoria (diciembre de 1,997), se distribuyó una encuesta entre los estudiantes de Ingeniería Química de la Universidad Rafael Landívar y otra, entre diferentes profesionales de la industria guatemalteca (ver anexos). Los no contemplan la apertura de los mercados de servicios profesionales, son muy importantes porque evidencian que el mercado local no está preparado todavía para el impacto de la apertura de mercados.

A continuación se presentanestudiantes de Ingeniería Química Industrial. En la figura 1 se muestra que la mayoría de los estudiantes ha escogido seguir la carrera de Ingeniería Química Industrial principalmente debido a: (a) Conocimiento previo que tenían de la carrera; (b) Gusto por el curso de química; (c) La finalidad de fundar su propia empresa; (d) Deseo de obtener un título profesional.

Figura 1 Razones expuestas por los estudiantes para estudiar IngenieFuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de

Ingeniería Química de la Universidad Rafael Landívar durante el primer semestre de 1997.

Tesis: Rediseño del laboratorio de fisicoquímica. Prác

Guatemala, 1998. Qué tanto se verán modificados los resultados de las encuestas por la apertura del mercado profesional, se irá explicando conforme se avance en el texto. Asimismo, debe indicarse que las motivaciones para estudiar Ingeniería Química Industrial cambiarán en la medida en que cambie el mercado para la carrera.

NOMBRE DE LA CARRERA

15%

REFERENCIA FAMILIAR

9%

REFERENCIAPROFESIONAL

15%

de 50 Años de la Colegiación Obligatoria (diciembre de 1,997), se distribuyó una encuesta entre los estudiantes de Ingeniería Química de la Universidad Rafael Landívar y otra, entre diferentes profesionales de la industria guatemalteca (ver anexos). Los resultados, que obviamente no contemplan la apertura de los mercados de servicios profesionales, son muy importantes porque evidencian que el mercado local no está preparado todavía para el impacto de la apertura de

A continuación se presentan los resultados obtenidos en la encuesta distribuida entre los estudiantes de Ingeniería Química Industrial. En la figura 1 se muestra que la mayoría de los estudiantes ha escogido seguir la carrera de Ingeniería Química Industrial principalmente debido : (a) Conocimiento previo que tenían de la carrera; (b) Gusto por el curso de química; (c) La

finalidad de fundar su propia empresa; (d) Deseo de obtener un título profesional.

Razones expuestas por los estudiantes para estudiar Ingeniería Química Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de


Tesis: Rediseño del laboratorio de fisicoquímica. Práctica de laboratorio: Ciclo de Carnot

Qué tanto se verán modificados los resultados de las encuestas por la apertura del mercado profesional, se irá explicando conforme se avance en el texto. Asimismo, debe indicarse que las

para estudiar Ingeniería Química Industrial cambiarán en la medida en que cambie

REFERENCIA DE UN AMIGO

9%

REFERENCIAPROFESIONAL

CONOCIMIENTO DE LA CARRERA

26%

INTERES POR LA QUIMICA26%

RAZON POR LA QUE ESCOGIO LACARRERA DE ING. QUIMICA INDUSTRIAL

de 50 Años de la Colegiación Obligatoria (diciembre de 1,997), se distribuyó una encuesta entre los estudiantes de Ingeniería Química de la Universidad Rafael Landívar y otra, entre

resultados, que obviamente no contemplan la apertura de los mercados de servicios profesionales, son muy importantes porque evidencian que el mercado local no está preparado todavía para el impacto de la apertura de

los resultados obtenidos en la encuesta distribuida entre los estudiantes de Ingeniería Química Industrial. En la figura 1 se muestra que la mayoría de los estudiantes ha escogido seguir la carrera de Ingeniería Química Industrial principalmente debido : (a) Conocimiento previo que tenían de la carrera; (b) Gusto por el curso de química; (c) La

finalidad de fundar su propia empresa; (d) Deseo de obtener un título profesional.

Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de Ingeniería Química de la Universidad Rafael Landívar durante el primer semestre de 1997.

tica de laboratorio: Ciclo de Carnot

Qué tanto se verán modificados los resultados de las encuestas por la apertura del mercado profesional, se irá explicando conforme se avance en el texto. Asimismo, debe indicarse que las

para estudiar Ingeniería Química Industrial cambiarán en la medida en que cambie

CONOCIMIENTO DE LA

INTERES POR LA QUIMICA26%

Química

Conoc. Carrera

Nombre

Ref. Profesional

Ref. Familiar

Ref. Amigo

En la figura 2 se muestra que la mayoría de los estudiantes encuestados (71%), no trabajan, aduciendo que es mucho el tiempo que deben dedicar

Figura 2 Proporción de estudiantes de Ingeniería Química que trabajan antes de culminar sus estudios universitarios Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de



Guatemala, 1998.

Las figuras 3 y 4, por su parte, indican que los estudiantes que trabajan ssu mayoría en el área docente o administrativa, áreas que son poco o nada afines con la carrera elegida;. Esto se traduce en trabajos que no llenan las expectativas de la mayoría de los estudiantes, ya que éstos aspiran a desarrollarse contra un 12% que se inclina por el área administrativa).

Figura 3 Areas de desarrollo laboral de los estudiantes de Ingeniería Química de la URL que trabajanFuente: resultados obtenidos sobre la base de la



NO71%

PRODUCCION8%

RECURSOS HUMANOS4%

FINANCIERA12%

En la figura 2 se muestra que la mayoría de los estudiantes encuestados (71%), no trabajan, aduciendo que es mucho el tiempo que deben dedicar a sus estudios.

Proporción de estudiantes de Ingeniería Química que trabajan antes de culminar sus estudios

Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de e la Universidad Rafael Landívar durante el primer semestre de 1997.


Las figuras 3 y 4, por su parte, indican que los estudiantes que trabajan ssu mayoría en el área docente o administrativa, áreas que son poco o nada afines con la carrera elegida;. Esto se traduce en trabajos que no llenan las expectativas de la mayoría de los estudiantes, ya que éstos aspiran a desarrollarse en áreas de producción (57% de los encuestados contra un 12% que se inclina por el área administrativa).

Areas de desarrollo laboral de los estudiantes de Ingeniería Química de la URL que trabajanFuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de



SI29%

ESTUDIANTES ENCUESTADOSQUE TRABAJAN

CONTROL DE CALIDAD12%

VENTAS12%

RECURSOS HUMANOS

ADMINISTRATIVA

DOCENTE20%

CONSTRUCCION4%

AREA DE DESEMPEÑOACTUAL

En la figura 2 se muestra que la mayoría de los estudiantes encuestados (71%), no

Proporción de estudiantes de Ingeniería Química que trabajan antes de culminar sus estudios

Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de e la Universidad Rafael Landívar durante el primer semestre de 1997.


Las figuras 3 y 4, por su parte, indican que los estudiantes que trabajan se desenvuelven en su mayoría en el área docente o administrativa, áreas que son poco o nada afines con la carrera elegida;. Esto se traduce en trabajos que no llenan las expectativas de la mayoría de los

en áreas de producción (57% de los encuestados

Areas de desarrollo laboral de los estudiantes de Ingeniería Química de la URL que trabajan s encuestas distribuidas entre los estudiantes de



CONTROL DE CALIDAD

ADMINISTRATIVA16%

Guatemala, 1998.

Figura 4 Areas laborales en que desearían desarrollarse los estudiantes de Ingeniería Química de la URL Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de

Ingeniería Química de la Universidad Rafael Landívar du


Guatemala, 1998.

Como se menciona en la sección 1.1, es indispensable e imperativo que la URL incremente el nivel de los profesionales que forma, puesto que se verá, a corto plazo,

MERCADEO6%

CONTROL DECALIDAD

12%

INVESTIGACION 6%

ASESORIA

ADMINISTRACION

Areas laborales en que desearían desarrollarse los estudiantes de Ingeniería Química de la URL Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de



Como se menciona en la sección 1.1, es indispensable e imperativo que la URL incremente ionales que forma, puesto que se verá, a corto plazo,

PRODUCCION57%

MERCADEOASESORIA2%

ADMINISTRACION12%

NINGUNA2%

VENTAS2%

OTRAS1%

AREA DE DESEMPEÑO DESEADA

Areas laborales en que desearían desarrollarse los estudiantes de Ingeniería Química de la URL Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de

rante el primer semestre de 1997.


Como se menciona en la sección 1.1, es indispensable e imperativo que la URL incremente

PRODUCCION

compitiendo contra una gran cantidad de universidades latinoamericanas. Entonces, debe hacerse notar que, para formar profesionales que sean competitivos a nivel latinoamericano, el tiempo "libre", para una persona que estudiaresultado directo: (a) La deserción de muchos estudiantes que deben trabestudios; (b) La prolongación del tiempo promedio en qreducción de los estudiantes que se vean a

Evidentemente que, analizando estas premisas; se pondrán a disposición de los estudiantes nuevos métodos o mecánicas que redunden en pro de la calidad profe 1.4 ANALISIS DEL AREA DE DESARROLLO DEL PROFESONAL DE L A

INGENIERIA QUIMICA 1.4.1 REQUERIMIENTOS DEL AREA PROFESIONAL El estudio de los requerimientos actuales del área profesional se realizó sobre la base de una encuesta distribuida entre diferentes profesionales de la ingeniería que laboran en la industria guatemalteca. (La figura 5 muestra el área específica en que se desempeñan los profesionales encuestados, dentro de sus respectivas empresas). Es interesante advertir la escasa calidad que se busca del profesional en el mercado local.

De más está indicar quetendrán un cambio drástico debido a la globalización de serviciosestudio para que pueda apreciarse, al menos en el sector de Ingeniería Química, la variaclo actual y lo que podría suceder a corto plazo.

Figura 5 Areas laborales en que se desempeñan los profesionales encuestados para el presente estudio Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las

industrias de Guatemala efectuada en el mes de marzo de 1997


Guatemala, 1998.

Un buen número de los profesionales encuestados tiene hasta 5 años de laborar en su puesto actual. De este grupo, el 47% afirma que la base para su desarrollo laboralproporcionada por los estudios universitarios realizados, en tanto que el 2

VENTAS18%

compitiendo contra una gran cantidad de universidades latinoamericanas. Entonces, debe hacerse notar que, para formar profesionales que sean competitivos a nivel latinoamericano, el tiempo

para una persona que estudia, se verá dramáticamente reducido. Esto tendra deserción de muchos estudiantes que deben trabajar para sostener sus

a prolongación del tiempo promedio en que se graduarán los estudiantes;reducción de los estudiantes que se vean atraídos por la carrera.

Evidentemente que, analizando estas premisas; se pondrán a disposición de los estudiantes nuevos métodos o mecánicas que redunden en pro de la calidad profe

ANALISIS DEL AREA DE DESARROLLO DEL PROFESONAL DE L A INGENIERIA QUIMICA (Refs. 2 y 5)

REQUERIMIENTOS DEL AREA PROFESIONAL

El estudio de los requerimientos actuales del área profesional se realizó sobre la base de una encuesta distribuida entre diferentes profesionales de la ingeniería que laboran en la industria

alteca. (La figura 5 muestra el área específica en que se desempeñan los profesionales encuestados, dentro de sus respectivas empresas). Es interesante advertir la escasa calidad que se busca del profesional en el mercado local.

r que, todos estos patrones de evaluación para el mercadeo laboraltendrán un cambio drástico debido a la globalización de servicios; pero se han dejado en el presente estudio para que pueda apreciarse, al menos en el sector de Ingeniería Química, la variaclo actual y lo que podría suceder a corto plazo.

Areas laborales en que se desempeñan los profesionales encuestados para el presente estudio Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas realizada a profesionales de dist

industrias de Guatemala efectuada en el mes de marzo de 1997.


Un buen número de los profesionales encuestados tiene hasta 5 años de laborar en su puesto actual. De este grupo, el 47% afirma que la base para su desarrollo laboralproporcionada por los estudios universitarios realizados, en tanto que el 29% afirma que la base de

ADMINISTRATIVO29%

SERVICIOS12%

AREA DE DESEMPEÑO DE LOS PROFESIONALES ENCUESTADOS

compitiendo contra una gran cantidad de universidades latinoamericanas. Entonces, debe hacerse notar que, para formar profesionales que sean competitivos a nivel latinoamericano, el tiempo

do. Esto tendrá como ajar para sostener sus

ue se graduarán los estudiantes; y (c) La

Evidentemente que, analizando estas premisas; se pondrán a disposición de los estudiantes nuevos métodos o mecánicas que redunden en pro de la calidad profesional.

ANALISIS DEL AREA DE DESARROLLO DEL PROFESONAL DE L A

El estudio de los requerimientos actuales del área profesional se realizó sobre la base de una encuesta distribuida entre diferentes profesionales de la ingeniería que laboran en la industria

alteca. (La figura 5 muestra el área específica en que se desempeñan los profesionales encuestados, dentro de sus respectivas empresas). Es interesante advertir la escasa calidad que se

todos estos patrones de evaluación para el mercadeo laboral, pero se han dejado en el presente

estudio para que pueda apreciarse, al menos en el sector de Ingeniería Química, la variación entre

Areas laborales en que se desempeñan los profesionales encuestados para el presente estudio encuestas realizada a profesionales de distintas


Un buen número de los profesionales encuestados tiene hasta 5 años de laborar en su puesto actual. De este grupo, el 47% afirma que la base para su desarrollo laboral, fue

9% afirma que la base de

PRODUCCION41%

su actividad radica en la experiencia obtenida diariamente en el desarrollo de su trabajo. Esta situación cambiará al abrirse el mercado, pues todo aquel profesional nacional que carezca de experiencia antes de ingresar al mercadoaquellos profesionales extranjeros que tengan dicha experiencia, por el hecho de haber estudiado en instituciones que contemplan una preparación práctica mucho mayor que la que se imparte en Guatemala.

En la figura 6 puede observarse que, de acuerdo a los resultados obtenidos, la carrera que más se adapta a los puestos profesionales encuestados es la de Ingeniería Química Industrial (afirmado por el 58% de los encuestados), seguida por la de Ingenierílas demás ramas de la Ingeniería. Así las cosas, la Escuela de Ingeniería Química de la URL se verá obligada a incrementar el nivel académico que posee, pues deberá mantener su hegemonía por sobre las demás carreras de Ingextranjeros.

Figura 6

Area de la Ingeniería preferida para los puestos profesionales encuestadosFuente: resultados obtenidos sobre la base de las


Tesis: Rediseño del laboratorio de fisico

Guatemala, 1998.

Un dato importante es queimportancia la universidad de la que haya egresado el profesional. Esto indica dos cosas:

1. El nivel del profesional guatemalteco es homogéneo, independientemente de la uen que se haya preparado.

2. Se dispondrá de una doble ventaja competitiva en la Universidad Rafael Landívar si se empieza a trabajar de inmediato en el mejoramiento del nivel académico, pues se llevará la delantera a las universidades del paísuniversidades extranjeras.

INDUSTRIAL24%

MECANICA INDUSTRIAL12%

su actividad radica en la experiencia obtenida diariamente en el desarrollo de su trabajo. Esta situación cambiará al abrirse el mercado, pues todo aquel profesional nacional que carezca de experiencia antes de ingresar al mercado laboral, se verá en franca desventaja frente a todos aquellos profesionales extranjeros que tengan dicha experiencia, por el hecho de haber estudiado en instituciones que contemplan una preparación práctica mucho mayor que la que se imparte en

En la figura 6 puede observarse que, de acuerdo a los resultados obtenidos, la carrera que más se adapta a los puestos profesionales encuestados es la de Ingeniería Química Industrial (afirmado por el 58% de los encuestados), seguida por la de Ingeniería Industrial (24%) y luego por las demás ramas de la Ingeniería. Así las cosas, la Escuela de Ingeniería Química de la URL se verá obligada a incrementar el nivel académico que posee, pues deberá mantener su hegemonía por sobre las demás carreras de Ingeniería, a pesar del ingreso de innumerables profesionales

Area de la Ingeniería preferida para los puestos profesionales encuestados Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas realizada a profesionales de distintas

industrias de Guatemala efectuada en el mes de marzo de 1997.


Un dato importante es que, para la mayoría de los encuestados, no tiene ninguna importancia la universidad de la que haya egresado el profesional. Esto indica dos cosas:

1. El nivel del profesional guatemalteco es homogéneo, independientemente de la uen que se haya preparado.

2. Se dispondrá de una doble ventaja competitiva en la Universidad Rafael Landívar si se empieza a trabajar de inmediato en el mejoramiento del nivel académico, pues se llevará la delantera a las universidades del país, al mismo tiempo que podrá rivalizarse con las universidades extranjeras.

QUIMICA INDUSTRIAL58%

SISTEMAS6%

RAMA DE LA INGENIERIA MAS ADECUADA

su actividad radica en la experiencia obtenida diariamente en el desarrollo de su trabajo. Esta situación cambiará al abrirse el mercado, pues todo aquel profesional nacional que carezca de

laboral, se verá en franca desventaja frente a todos aquellos profesionales extranjeros que tengan dicha experiencia, por el hecho de haber estudiado en instituciones que contemplan una preparación práctica mucho mayor que la que se imparte en

En la figura 6 puede observarse que, de acuerdo a los resultados obtenidos, la carrera que más se adapta a los puestos profesionales encuestados es la de Ingeniería Química Industrial

a Industrial (24%) y luego por las demás ramas de la Ingeniería. Así las cosas, la Escuela de Ingeniería Química de la URL se verá obligada a incrementar el nivel académico que posee, pues deberá mantener su hegemonía por

eniería, a pesar del ingreso de innumerables profesionales

encuestas realizada a profesionales de distintas

química. Práctica de laboratorio: Ciclo de Carnot

para la mayoría de los encuestados, no tiene ninguna importancia la universidad de la que haya egresado el profesional. Esto indica dos cosas:

1. El nivel del profesional guatemalteco es homogéneo, independientemente de la universidad

2. Se dispondrá de una doble ventaja competitiva en la Universidad Rafael Landívar si se empieza a trabajar de inmediato en el mejoramiento del nivel académico, pues se llevará la

, al mismo tiempo que podrá rivalizarse con las

QUIMICA INDUSTRIAL58%

En la figura 7 se muestran las cualidades más importantes para seleccionar personal a laborar en producción en el mercado laboral guatemalteco actualmente. Por su parte, la figurmuestra las cualidades más importantes para la selección de personal a laborar en el área administrativa. Se considera que todas estas cualidades variarán dramáticamente al momento de abrirse el mercado, volviéndose mucho más exigentes y excluyente

Figura 7 Cualidades más importantes para seleccionar personal que laborará en producción en el mercado

laboral guatemalteco Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de



Guatemala, 1998.

Figura 8 Cualidades más importantes para seleccionar personal que laborará en el área administrativa en el mercado laboral guatemalteco Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las



Guatemala, 1998.

Finalmente, se mencionan los factores edad y sexo de los profesionales. Se considera que estos factores no variarán significat

LIDERAZGO24%

RESPONSABILIDAD14%

INICIATIVA17%

ORDEN14%

CONOCIMIENTOS

CARACTERISTICAS MAS IMPORTANTES TOMADAS EN CUENTA A L SELECCIONAR PERSONAL

En la figura 7 se muestran las cualidades más importantes para seleccionar personal a laborar en producción en el mercado laboral guatemalteco actualmente. Por su parte, la figurmuestra las cualidades más importantes para la selección de personal a laborar en el área administrativa. Se considera que todas estas cualidades variarán dramáticamente al momento de abrirse el mercado, volviéndose mucho más exigentes y excluyente para los nacionales.

Cualidades más importantes para seleccionar personal que laborará en producción en el mercado

Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de uímica de la Universidad Rafael Landívar durante el primer semestre de 1997.


Cualidades más importantes para seleccionar personal que laborará en el área administrativa en el

Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas realizada a profesionales de distintas la efectuada en el mes de marzo de 1997.


cionan los factores edad y sexo de los profesionales. Se considera que variarán significativamente aún con la apertura de

DISCIPLINA27%

EXPERIENCIA24%

TRABAJO BAJO PRESION11%

CARACTERISTICAS MAS IMPORTANTES TOMADAS ENCUENTA AL SELECCIONAR PERSONAL PARA PRODUCCION

RELACIONES HUMANAS33%

LIDERAZGO21%

INICIATIVA

CONOCIMIENTOS10%

RESPONSABILIDAD 5%

CARACTERISTICAS MAS IMPORTANTES TOMADAS EN CUENTA A L SELECCIONAR PERSONAL PARA EL AREA ADMINISTRATIVA

En la figura 7 se muestran las cualidades más importantes para seleccionar personal a laborar en producción en el mercado laboral guatemalteco actualmente. Por su parte, la figura 8 muestra las cualidades más importantes para la selección de personal a laborar en el área administrativa. Se considera que todas estas cualidades variarán dramáticamente al momento de

para los nacionales.

Cualidades más importantes para seleccionar personal que laborará en producción en el mercado

Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas distribuidas entre los estudiantes de uímica de la Universidad Rafael Landívar durante el primer semestre de 1997.


Cualidades más importantes para seleccionar personal que laborará en el área administrativa en el



cionan los factores edad y sexo de los profesionales. Se considera que

EXPERIENCIA

RELACIONES HUMANAS

CARACTERISTICAS MAS IMPORTANTES TOMADAS EN CUENTA A L SELECCIONAR PERSONAL

mercados, ya que la idiosincrasia de la región es muy homogénea con respecto a estos figuras 9 y 10 muestran los resultados correspondientes a estas categorías.

Figura 9 Edad preferida para las personas que laboran como profesionales de Inge

Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las industrias de Guatemala efectuada en el mes de marzo de 1997


Guatemala, 1998.

Figura 10 Sexo preferido para las personas que laboran como profesionales de Ingeniería Química en Guatemala

Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las industrias de Guatemala efectuada en el mes de marzo de 1997


Guatemala, 1998.

1.4.2 AREAS DE DESARROLLO ACTUAL DEL PROFESIONAL

20-2524%

MASCULINO29%

mercados, ya que la idiosincrasia de la región es muy homogénea con respecto a estos figuras 9 y 10 muestran los resultados correspondientes a estas categorías.

Edad preferida para las personas que laboran como profesionales de Ingeniería Química en Guatemala

Fuente: resultados obtenidos sobre la base de las encuestas realizada a profesionales de distintas industrias de Guatemala efectuada en el mes de marzo de 1997.


Sexo preferido para las personas que laboran como profesionales de Ingeniería Química en Guatemala

os obtenidos sobre la base de las encuestas realizada a profesionales de distintas industrias de Guatemala efectuada en el mes de marzo de 1997.


AREAS DE DESARROLLO ACTUAL DEL PROFESIONAL

PREFERENCIA DE EDAD PARA EL PUESTO (AÑOS)

30-3512% 25-30

64%

LE ES INDIFERENTE71%

SEXO PREFERENTE PARA EL PUESTO DE TRABAJO

mercados, ya que la idiosincrasia de la región es muy homogénea con respecto a estos tópicos. Las

niería Química en Guatemala



Sexo preferido para las personas que laboran como profesionales de Ingeniería Química en Guatemala



AREAS DE DESARROLLO ACTUAL DEL PROFESIONAL

La industria guatemalteca comprende un amplio ámbito para el desarrollo del Ingeniero Químico Industrial. No obstantnumerosas empresas que se dedican a la maquila de productos. Debe entenderse el maquilado como el ensamblaje de fórmulas ya probadas por instituciones y empresas transnacionales. Esestas maquiladoras, donde se desenvuelven en su mayoría los profesionales inscritos en el Colegio de Ingenieros Químicos de Guatemala. Ante la inminente apertura de mercados, esta situación variará drásticamente a corto plazo. Sin embargo, los procesos paradeberán instrumentalizarse lo antes posible, o de lo contrario se tendrá un efecto de choque que podría ser altamente nocivo para los profesionales guatemaltecos.

La figura 11 muestra la distribución de los profesionales guatemapuede observar que, la mayoría de profesionales que actualmente ejercen, lo hacen en empresas de producción de bienes. Sin embargo, no es posible concluir al 100% que el área especifica de trabajo sea de producción ya que la mayoríaimportación y distribución de los mismos por lo cual el área de trabajo se restringe a labores administrativas.

ID TIPO DE INDUSTRIA

A ALIMENTICIA B PRODUCTOS QUIMICOS Y FERTILIZANTESC PINTURA, PLASTICO, HULE, TEXTILES, VIDRIO, PAPEL, METALURGIA.D FARMACEUTICA, COSMETICA, JABONES Y DETERGENTESE SERVICIOS INDUSTRIALES Y MEDIO AMBIENTEF EDUCACION Y ASESORIAG CIGARRROS, REFINERIAS Y CEMENTO.

Figura 11 Distribución de los profesionales de guatemalteco Fuente: Datos proporcionados por el Colegio de Ingenieros Químicos de Guatemala


Guatemala, 1998.

D15%

E10%

INDUSTRIAS NACIONALES EN DONDE SE DESARROLLAN LOS I NGENIEROS QUIMICOS

La industria guatemalteca comprende un amplio ámbito para el desarrollo del Ingeniero Químico Industrial. No obstante que las empresas denominadas fuertes son muy escasas, existen numerosas empresas que se dedican a la maquila de productos. Debe entenderse el maquilado como el ensamblaje de fórmulas ya probadas por instituciones y empresas transnacionales. Es

donde se desenvuelven en su mayoría los profesionales inscritos en el Colegio de Ingenieros Químicos de Guatemala. Ante la inminente apertura de mercados, esta situación variará drásticamente a corto plazo. Sin embargo, los procesos para asimilar esta situación deberán instrumentalizarse lo antes posible, o de lo contrario se tendrá un efecto de choque que podría ser altamente nocivo para los profesionales guatemaltecos.

La figura 11 muestra la distribución de los profesionales guatemaltecos actualmente. Se la mayoría de profesionales que actualmente ejercen, lo hacen en empresas de

producción de bienes. Sin embargo, no es posible concluir al 100% que el área especifica de trabajo sea de producción ya que la mayoría de empresas de productos químicos se dedican a la importación y distribución de los mismos por lo cual el área de trabajo se restringe a labores

TIPO DE INDUSTRIA

PRODUCTOS QUIMICOS Y FERTILIZANTES TICO, HULE, TEXTILES, VIDRIO, PAPEL, METALURGIA.

FARMACEUTICA, COSMETICA, JABONES Y DETERGENTES SERVICIOS INDUSTRIALES Y MEDIO AMBIENTE EDUCACION Y ASESORIA CIGARRROS, REFINERIAS Y CEMENTO.

Distribución de los profesionales de la Ingeniería Química por área, dentro del mercado laboral

Datos proporcionados por el Colegio de Ingenieros Químicos de Guatemala

torio de fisicoquímica. Práctica de laboratorio: Ciclo de Carnot

A27%

B20%

C19%

F6%

G3%

INDUSTRIAS NACIONALES EN DONDE SE DESARROLLAN LOS I NGENIEROS QUIMICOS COLEGIADOS

La industria guatemalteca comprende un amplio ámbito para el desarrollo del Ingeniero e que las empresas denominadas fuertes son muy escasas, existen

numerosas empresas que se dedican a la maquila de productos. Debe entenderse el maquilado como el ensamblaje de fórmulas ya probadas por instituciones y empresas transnacionales. Es, en

donde se desenvuelven en su mayoría los profesionales inscritos en el Colegio de Ingenieros Químicos de Guatemala. Ante la inminente apertura de mercados, esta situación

asimilar esta situación deberán instrumentalizarse lo antes posible, o de lo contrario se tendrá un efecto de choque que

ltecos actualmente. Se la mayoría de profesionales que actualmente ejercen, lo hacen en empresas de

producción de bienes. Sin embargo, no es posible concluir al 100% que el área especifica de de empresas de productos químicos se dedican a la

importación y distribución de los mismos por lo cual el área de trabajo se restringe a labores

la Ingeniería Química por área, dentro del mercado laboral

Datos proporcionados por el Colegio de Ingenieros Químicos de Guatemala.

torio de fisicoquímica. Práctica de laboratorio: Ciclo de Carnot

INDUSTRIAS NACIONALES EN DONDE SE DESARROLLAN LOS I NGENIEROS QUIMICOS

CAPITULO 2

CICLO DE CARNOT

2.1 INTRODUCCION El ciclo denominado de Carnot, es la base para el funcionamiento de las máquinas de combustión interna, plantas de vapor y máquinas generadoras de potencia. Generalmente, cualquiera de estas máquinas, forma parte de la mayoría de procesos industriales de diversas empresas manufactureras en Guatemala. El ciclo de Carnot contribuye grandemente al diseño de los ciclos de potencia, ya que su objetivo principal servir como base de referencia para el desarrollo de cualquier ciclo práctico que convierta energía de una forma a otro más útil. En Guatemala se han tenido muchos problemas en lo que se refiere a la transformación de energía ya que existen procesos muy poco eficientes; lo que ha dado lugar, entre otras cosas, a: (a) Altos costos de producción, (b) Problemas de contaminación, etc. Debido a la globalización y apertura de mercados, las industrias necesitan optimizar sus recursos y esto sólo lo pueden conseguir haciendo sus procesos más eficientes. Esto permitirá presentar ventajas competitivas dentro del mercado mundial, pudiendo lograr contrarrestar el rompimiento de barreras que protegían a los pequeños mercados Para su estudio es indispensable tener claro todas las limitaciones del ciclo de Carnot, lo que permitirá desarrollar una práctica real y viable en la que se puedan aplicar sus principios. Más adelante, el estudio se centrará en el ciclo abierto de vapor de Carnot, ya que los otros dos: el ciclo de Carnot reciprocante (pistón) y de gases, no se pueden practicar en la realidad debido a restricciones como que el proceso no debe tener efectos disipativos, tales como: fricción y temperaturas constantes en la adición y rechazo de calor. 2.2 CICLO DE CARNOT (Ref. 3) Desde el punto de vista histórico, el primero en enunciar los conceptos de un ciclo, su rendimiento y de proceso reversible fue Nicolás Leonard Sadi Carnot en 1824, y el ciclo termodinámico reversible que propuso, lleva ahora su nombre. Es interesante notar que Carnot hizo su trabajo hace aproximadamente 160 años. En este corto periodo de la historia del hombre, se consolidó la ciencia de la termodinámica. Los dos procesos cuasiestáticos sin fricción, que son reversibles, son el isotérmico (a temperatura constante) y el adiabático (sin intercambio de energía - en forma de calor a través de la frontera). Carnot propuso un ciclo reversible compuesto por dos procesos isotérmicos reversibles y dos procesos adiabáticos reversibles, y con base a este ciclo, pudo obtener algunas conclusiones generales. A continuación se considerará el ciclo que lleva su nombre, describiendo cada paso del mismo. En la figura 2.1 (línea sólida) se muestra un esquema de un ciclo de una máquina directa.

FIGURA 2.1. Elementos del ciclo de Carnot. Fuente: Termodinámica de Irving Granet, pág 153. Tesis: Rediseño de las prácticas del laboratorio del curso de Fisicoquímica de la Universidad Rafael Landívar. Práctica del Ciclo de Carnot. 1,998.

Para el ciclo de Carnot, se define la siguiente secuencia de sucesos: 1. Se toma calor de una reserva de calor (fuente) a T1 de manera isotérmica y

reversible. Básicamente esto es equivalente a una recepción de calor cuasiestática en el ciclo, sin diferencias de temperatura.

2. Se deja que la energía recibida en el paso, produzca trabajo mediante la expansión

adiabática y reversible en una máquina ideal libre de fricción. Durante este paso se produce un trabajo neto, pero no se permite que haya intercambio de energía en forma de calor a través de las fronteras del sistema, aun cuando la presión y la temperatura del fluido de operación, puedan haber cambiado.

3. En este momento la temperatura del fluido de operación en el ciclo es T2 y se quiere

regresar al punto de partida. Para hacerlo, primero se desecha calor a temperatura constante (T2) de manera reversible e isotérmica, a un sumidero infinito.

4. El último paso del ciclo es comprimir el fluido de operación de manera adiabática y

reversible hasta su estado natural. Para un gas no condensable, se trazan los pasos del ciclo en las coordenadas presión-volumen de la figura 2.2.

Figura 2.2 Ciclo de Carnot en coordenadas p-v; gas no condensable. Fuente: Termodinámica de Irving Granet, pág 154. Tesis: Rediseño de las prácticas del laboratorio del curso de Fisicoquímica de la Universidad Rafael Landívar. Práctica del Ciclo de Carnot. 1,998.

El ciclo de Carnot descrito, es un ciclo reversible, y por tanto es posible invertir cada paso y de ese modo todo el ciclo. Un ciclo reversible como éste, en efecto, tomaría trabajo como entrada y bombearía calor desde T2 hasta T1. El ciclo reversible se conoce como bomba de calor. Debería mencionarse que el ciclo de Carnot no es el único, ni tampoco el único ciclo reversible que puede desarrollarse.

En realidad, se han propuesto muchos ciclos reversibles como prototipos de ciclos reales. La importancia del de Carnot reside en que pueden deducirse de él las siguientes conclusiones generales. 1. Ninguna máquina que opere entre dos temperaturas fijas, una fuente (T1) y un

sumidero (T2), y que entregue trabajo, de manera continua puede ser más eficiente que una máquina reversible que opere entre estos mismos límites de temperatura.

Comprobación:

Para probar esta afirmación, tómense dos ciclo de máquinas reversibles y permítase que la salida de la máquina del primer ciclo se use para operar el segundo ciclo de manera inversa. De forma esquemática, este arreglo se muestra en la figura 2.3 para el ciclo directo Qent a T1 sirve para producir una salida de trabajo neto, y Qr es el calor desechado al sumidero a T2. El trabajo neto sirve como la entrada para el segundo ciclo. Supóngase ahora que la segunda máquina (inversa) es más eficiente que la primera máquina operando en forma directa; se denotarán las cantidades de energía para el ciclo inverso como Q’r y Q’ent, respectivamente.

Figura 2.3 Prueba del principio 1 de Carnot. Fuente: Termodinámica de Irving Granet, pág. 155. Tesis: Rediseño de las prácticas del laboratorio del curso de Fisicoquímica de la Universidad Rafael Landívar. Práctica del Ciclo de Carnot. 1,998. Dado que el ciclo de la segunda máquina es reversible, se muestra en la figura 2.3 como si fuera un ciclo directo, por medio de las líneas punteadas. En cada uno de estos ciclos W es, por convención, el mismo. Aplicando la ecuación:

a ambos ciclos, se tiene:

ya que la eficiencia del segundo ciclo se supuso que era mayor que la del primero. De esta manera Q’ent < Qent. Como el trabajo neto es constante e igual a Qent - Qr para la primera maquina (directa) y Q’ent - Q’r para la máquina inversa (más eficiente), se sigue que Q’r < Qr. La conclusión es que, tal arreglo en el que se combinan ambos ciclos, toma calor neto de un medio a una temperatura T2 y lo entrega al medio a mayor temperatura T1, pero no se pone trabajo neto en el ciclo combinado. Esto viola directamente el enunciado de Clausius de la segunda ley de la termodinámica, que establece que el calor no puede por sí solo pasar de una temperatura baja a una alta, y se puede rechazar la suposición de que la segunda máquina reversible pueda ser más eficiente que una máquina reversible operando entre los mismos límites de temperatura. De esta manera se prueba el principio 1 de Carnot.

2. La eficiencia de todos los ciclos reversibles operando entre los mismos límites de

temperatura, es la misma.

Comprobación:

La prueba del principio 2 de Carnot es en esencia la misma que la que se usó para probar el principio 1 de Carnot. El estudiante debe notar que, este principio, junto con el primero, prueba que un ciclo reversible y su proceso asociado sirven para establecer

agregadoCalor

salidadenetoTrabajo

_

100*___=η

>

entent Q

W

Q

W

'

de manera unívoca el índice de operación de los ciclos de las máquinas térmicas. 3. La eficiencia térmica de una máquina reversible sólo es función de las temperaturas

máxima y mínima del ciclo y no es función de las sustancias de trabajo que se usan en el ciclo.

Comprobación:

Este tercer principio es un poco diferente en su planteamiento y parte del

razonamiento matemático en que se fundamenta, es bastante abstracto. Puede refutarse este punto, de manera cualitativa, de la siguiente manera: Supóngase que la eficiencia de una máquina reversible es una función de la sustancia de trabajo que se usa en el ciclo. Usando dos ciclos reversibles, como en el caso del principio 1, pueden colocarse distintos fluidos de trabajos en cada uno. Un ciclo reversible podría ser más eficiente que el otro y mediante idéntico razonamiento que el usado en el principio 1 se llegaría a una contradicción del enunciado de Clausius. Así, la eficiencia de una máquina reversible de un ciclo, no puede ser función de la sustancia de trabajo usada en el ciclo. Continuando con este razonamiento se llaga, asimismo, a la conclusión de que la eficiencia de que una maquina reversible es una función que depende sólo de las temperaturas máxima y mínima que se usen en el ciclo.

Para establecer la función de la temperatura, puede seguirse un razonamiento

similar al usado por Fermi y Dodge. Considérense los tres medios disponibles de calor mostrados en la figura 2.4, que se conservan a temperaturas t1, t2, t3 respectivamente, en alguna escala de temperatura absoluta arbitraria.

Figura 2.4 Derivación de la temperatura absoluta.

Fuente: Termodinámica de Irving Granet, pág. 157. Tesis: Rediseño de las prácticas del laboratorio del curso de Fisicoquímica de la Universidad Rafael Landívar. Práctica del Ciclo de Carnot. Guatemala, 1,998.

Supóngase que tres máquinas térmicas de Carnot operan entre estas temperaturas; Como la eficiencia del ciclo se supone que es una función de los límites de temperatura del mismo, se observa de la ecuación que para cada máquina Qr/Qent es asimismo una función de t1 y t2 para las respectivas temperaturas y las cantidades de calor asociadas con cada una de las máquinas. En consecuencia;

2.1a

2.1b

2.1c

El símbolo ¢ se interpreta como “una función de”; por tanto, a partir de la ecuación 1a. Q1/Q2 es una función de t1 y t2. Dividiendo la ecuación 2.1c entre la ecuación 2.1b y comparándola con la ecuación 1a. se obtiene:

2.1d El término izquierdo de la ecuación 2.1d indica que φ3/φ2 es sólo una función de t1 y t2. De este modo, la función t3 debe cancelarse de la ecuación 2.1d, con lo que se obtiene

2.1e Aquí se hace imposible determinar la función en la ecuación 2.1e de manera analítica, dado que es por completo arbitraria y existen muchas funciones de la temperatura que pueden satisfacerla. Kelvin propuso que, la función de la temperatura en la ecuación 2.1e, puede tomarse como:

2.1f que ha sido la que más se ha utilizado en los últimos años.

( )212

1 ,ttQ

Q φ=

( )323

2 ,ttQ

Q φ=

( )313

1 ,ttQ

Q φ=

( ) ( )[ ]( )[ ]322

31321

2

1

,

,,

tt

tttt

Q

Q

φφφ ==

( ) ( )( )22

13211

2

1 ,t

ttt

Q

Q

φφφ ==

2

1

2

1

T

T

Q

Q=

2.2.1 TIPOS DE CICLO DE CARNOT El ciclo de Carnot puede dividirse en tres tipos principales, dependiendo del fluido de trabajo que se utilice. Estos tipos principales son: (a) Ciclo reciprocante (de pistón); (b) Ciclo de gas o abierto y (c) Ciclo de vapor. A continuación se describen cada uno de ellos y las limitaciones para desarrollarlos en la realidad. 2.2.1.1. Ciclo de Carnot recíprocante (Ref. 8) El ciclo de Carnot recíprocante, se caracteriza por ser el más simple de los tres tipos que existen. Básicamente, todo el proceso ocurre en el mismo sistema: un émbolo que recorre la camisa de un pistón. La figura 2.5a muestra esquemáticamente la operación y el diagrama T-S para un ciclo de Carnot de este tipo.

Figura 2.5a Funcionamiento de la máquina de Carnot Reciprocante. Fuente: Universidad de Florida. Clase virtual de Termodinámica. (www.che.ufl.edu) Tesis: Rediseño de las prácticas del laboratorio del curso de Fisicoquímica de la Universidad Rafael Landívar. Práctica del Ciclo de Carnot. Guatemala, 1,998.

Figura 2.5b Funcionamiento de la máquina de Carnot Reciprocante. Fuente: Termodinámica de Virgil Faires, pág. 132 . Tesis: Rediseño de las prácticas del laboratorio del curso de Fisicoquímica de la Universidad Rafael Landívar. Práctica del Ciclo de Carnot. Guatemala, 1,998. La figura 2.5b corresponde al diagrama P-V para una sustancia de trabajo que no se condensa. Un cilindro C, contiene w Kg. A una temperatura T1 - ∆T, donde ∆T tiende a cero. La culata del cilindro, el único lugar en el que el calor puede entrar al sistema o salir de él, se pone en contacto con la fuente de calor, o cuerpo caliente, que tiene una temperatura constante T1. El calor fluye del cuerpo caliente hacia la sustancia contenida en el cilindro, la que, por tanto, experimenta un proceso isotérmico ab, y el émbolo se moverá desde a’ hasta b’. Como la diferencia de temperaturas es infinitesimal, la transferencia o transmisión del calor es reversible. Por tanto, el proceso es reversible tanto externa como internamente (es decir, es totalmente reversible).

A continuación, el cilindro se aleja del cuerpo caliente y el aislante I; se coloca sobre la culata del cilindro, de modo que no haya transmisión de calor ni hacia el sistema ni del sistema. Como resultado, cualquier proceso posterior será adiabático. Ahora sucede el cambio isentrópico bc, en el cual la temperatura baja desde T1 - ∆T hasta T2 + ∆T, debido al trabajo que se está haciendo a expensas de la energía interna, y el émbolo se mueve desde b’ hasta c’. (En este caso, debido a la reversibilidad con que ocurre el proceso, es que un proceso adiabático es isentrópico al mismo tiempo. Debe tenerse mucho cuidado al manejar estos conceptos, pues los procesos reversibles son los únicos en los que se cumple esta igualdad).

Cuando el émbolo llega al final de la carrera c’, el aislante I se quita y la culata del cilindro se pone en contacto con el receptor o sumidero, que permanece a una temperatura constante, T2. El calor fluye entonces en forma reversible al sumidero, y la isoterma cd sucede mientras el émbolo se mueve desde c’ hasta d’. Finalmente, el aislante I se coloca nuevamente sobre la culata y la compresión isentrópica, da, retorna la sustancia a su estado inicial, aumentando la temperatura desde T2 + ∆T hasta T1 - ∆T, porque el trabajo de la compresión aumenta la energía interna almacenada.

Desafortunadamente, en la práctica el calor fluiría muy lentamente para una pequeña diferencia

de temperatura, ∆T, y por tanto, el movimiento del émbolo y la intensidad o velocidad con que realizaría trabajo seria infinitesimal. Una diferencia finita de la temperatura, impide la reversibilidad externa. El rozamiento mecánico de las partes móviles de la máquina, el rozamiento interno debido a la turbulencia dentro de la sustancia y el calor transmitido por las paredes del cilindro (es imposible hacer una sustancia no conductora), también impide la reversibilidad en cualquier máquina real.

2.2.1.2. Ciclo de Carnot abierto (Ref. 8)

Un ciclo de gas es aquel en el que el fluido de trabajo permanece en estado

gaseoso durante todo el ciclo. En los ciclos reales de potencia de gas el fluido es principalmente aire y productos de combustión (dióxido de carbono y vapor de agua).

Un ciclo de aire estándar es un ciclo idealizado que se basa en las

aproximaciones siguientes: 1. - Durante todo el ciclo el fluido de trabajo es aire, que se comporta como gas ideal. 2. - La combustión se sustituye por la adición de calor desde una fuente externa 3. - Se emplea un proceso de rechazo de calor hacia los alrededores que sirve para regresar el fluido a su estado inicial. La eficiencia de Carnot esta dada por:

ηCarnot = 1- TB/TA

donde: TA y TB = temperatura del sumidero y la temperatura de la fuente, respectivamente.

La máquina térmica de Carnot (sección 2.2.) efectúa un proceso cíclico compuesto de dos procesos isotérmicos reversibles y dos procesos adiabáticos reversibles. Los diagramas de PV y TS del aire que efectúa un ciclo de Carnot se muestra en la figura 2.6. Figura 2.6 Diagrama p-v y T-s para el ciclo de una máquina térmica de Carnot. Fuente: Termodinámica de Wark, pág 607. Tesis: Rediseño de las prácticas del laboratorio del curso de Fisicoquímica de la Universidad Rafael Landívar. Práctica del Ciclo de Carnot. 1,998. Este ciclo puede llevarse a cabo en un sistema cerrado, tal como un motor alternativo de pistón y cilindro (explicado en la sección 2.2.1.1), o en un dispositivo de flujo estacionario (conocido como ciclo de Carnot abierto). El ciclo de Carnot abierto se explica a continuación.

Figura 2.7 Máquina térmica de Carnot de flujo estacionario. Fuente: Termodinámica de Wark, pág 607. Tesis: Rediseño de las prácticas del laboratorio del curso de Fisicoquímica de la Universidad Rafael Landívar. Práctica del Ciclo de Carnot. Guatemala, 1,998. En la figura 2.7 se muestra el equipo requerido para un ciclo de Carnot en flujo estacionario que emplea aire como fluido de trabajo.

Para los procesos de expansión isotérmica reversible y expansión adiabática reversible (pasos 1-2 y 2-3), se requieren turbinas de flujo estacionario. De igual manera, para los procesos de compresión isotérmica reversible y compresión adiabática reversible (pasos 3-4 y 4-1), se necesitan compresores de flujo estacionario. La adición de calor QA al fluido ocurre en la turbina isotérmica, mientras que la eliminación del calor QB del aire ocurre en el compresor isotérmico. (Ref. 6)

Para acercarse a la eficiencia de Carnot, dada por la ecuación (2.2.1.2.), un motor real debe estar casi libre de efectos disipativos, tales como la fricción. Además, la temperatura del fluido debe ser constante durante los procesos de adición y rechazo de calor. En la práctica, estas restricciones son imposibles de cumplir. Lograr una máquina que se aproxime al ciclo de Carnot es impráctico. Por tanto, la eficiencia de un motor real siempre es mucho menor que la de un motor de Carnot que opere entre las mismas temperaturas máxima y mínima. A pesar de todo, la eficiencia de un motor de Carnot que opere con un ciclo de aire estándar, es una referencia importante con la cual se pueden comparar los motores reales.

2.2.1.3. Ciclo de vapor de Carnot (Ref. 8) El ciclo de vapor difiere de los ciclos de gas presentados anteriormente por el hecho de que durante el proceso aparecen dos fases, la de vapor y la de líquido. Para que la eficiencia térmica de un ciclo sea máxima se dice que todo el calor suministrado por una fuente de energía ocurre a la máxima temperatura posible; y si toda la energía expulsada a un sumidero ocurre a la mínima temperatura posible. Para un ciclo reversible que opere en estas condiciones, la eficiencia térmica es la eficiencia de Carnot, dada por (Ta - TB)/TA . Un ciclo teórico que satisface estas condiciones es el ciclo del motor térmico de Carnot presentado en la sección (2.2).

Al igual que en los otros dos tipos de ciclos de Carnot, el de vapor, se compone de dos procesos isotérmicos reversibles y dos procesos adiabáticos reversibles. Si durante las partes del ciclo el fluido de trabajo aparece tanto en la fase líquida como en la fase de vapor, entonces el diagrama Ts del ciclo, es similar al que se muestra en la figura 2.8a. En la figura 2.8b se muestra el equipo necesario para un ciclo como el descrito: Figura 2.8 Diagrama T-s y esquema del equipo de un ciclo de potencia de vapor de carnot. Fuente: Termodinámica de Wark, pág 689. Tesis: Rediseño de las prácticas del laboratorio del curso de Fisicoquímica de la Universidad Rafael Landívar. Práctica del Ciclo de Carnot. Guatemala, 1,998.

En el ciclo de vapor de Carnot se supone que el agua es el fluido de trabajo. El vapor húmedo, en el estado 1, se comprime isentrópicamente hasta convertirse en líquido saturado en el estado 2. A esta elevada presión, se suministra energía a presión constante hasta que el agua se evapora por completo, convirtiéndose en vapor saturado en el estado 3. Luego, se le permite expandirse isentrópicamente a través de una turbina hasta el estado 4. El vapor húmedo, que sale de la turbina, se condensa parcialmente a presión constante regresando al estado 1. La eficiencia térmica del ciclo es, por supuesto, la mayor de cualquier máquina que opere entre las temperaturas T1 y T2, y está dada por (T2 - T1)/T2. Sin embargo, es impráctico utilizar el ciclo de Carnot con

fluidos que sufran cambios de fase. Por ejemplo, en primer lugar, es difícil comprimir isentrópicamente una mezcla con dos fases, como lo requiere el proceso 1-2. En segundo lugar, el proceso de condensación 4-1 tendría que controlarse con mucha precisión para lograr al final las características deseadas en el estado 1. En tercer lugar, la eficiencia de Carnot se ve muy afectada por la temperatura T2 a la cual se suministra la energía. Para el vapor, la temperatura crítica es apenas 705 ºF. Así, si el ciclo debe operar dentro de la región humeda, la máxima temperatura posible está severamente limitada. 2.2.1.4. Ciclo de Rankine (Ref. 8) Las objeciones enumeradas en la sección anterior para el ciclo básico de Carnot se pueden eliminar introduciendo ligeras modificaciones en el modelo. En vez de condensar hasta un vapor húmedo de baja calidad, el proceso de condensación se lleva a cabo de tal manera que el vapor húmedo que sale de la turbina se condense hasta líquido saturado a la presión de salida de la turbina. El proceso de compresión lo efectúa, en este caso, una bomba para líquidos, la cual comprime isentrópicamente el líquido que sale del condensador hasta la presión deseada en el proceso de adición de calor. Este modelo de ciclo de potencia de vapor recibe el nombre de Ciclo de Rankine. El ciclo básico se presenta en forma esquemática y en un diagrama T-S en la figura 2.9. Figura 2.9 Diagrama Ts y esquema del equipo de una planta de potencia de vapor que opera según el ciclo de

Rankine.

Fuente: Termodinámica de Wark, pág 690. Tesis: Rediseño de las prácticas del laboratorio del curso de Fisicoquímica de la Universidad Rafael Landívar. Práctica del Ciclo de Carnot. Guatemala, 1,998.

Por tanto, el ciclo ideal de un ciclo de potencia de vapor de Rankine simple consiste en: 1. Compresión isentrópica en una bomba. 2. Adición de calor a presión constante en una caldera. 3. Expansión isentrópica en una turbina. 4. Extracción de calor a presión constante en un condensador. El calor suministrado en el proceso 2 -3 puede provenir de la combustión de combustibles comunes, de una fuente solar o de un reactor nuclear. Si los cambios de las energías cinética y potencial se pueden despreciar, la transferencia de calor al fluido en la caldera, se representa en el diagrama Ts mediante el área delimitada por los estados 2-2’-3-b-a-2. El área encerrada por los estados 1-4-b-a-1 representa entonces el calor extraído en el condensador. La primera ley, para un proceso cíclico abierto, indica que el efecto neto de calor es igual al efecto neto de trabajo. Por tanto, el trabajo neto está representado por la diferencia en las áreas del calor de entrada y el calor expulsado, es decir, el área 1-2-2’-3-4-1. La eficiencia t. La eficiencia térmica del ciclo se define también en este caso como: Wnet/Qentrada. Las expresiones para el calor, el trabajo en el ciclo ideal se hallan aplicando la ecuación en flujo estacionario a cada equipo por separado. Si se puede despreciar los cambios de las energías cinéticas y potencial, la ecuación básica, para cada proceso, se reduce a q + w = hsalida - hentrada. El trabajo isentrópico de la bomba viene dado por:

wentrada, bomba = h2 - h1.

Sin embargo, el trabajo isentrópico de la bomba se puede calcular también a partir de la ecuación del trabajo de flecha en flujo estacionario.

W = v dP.

Como el cambio de volumen específico del agua líquida, desde el estado de saturación hasta las presiones del estado de líquido comprimido que se encuentran normalmente en las plantas de potencia de vapor, es menor que el 1%, puede considerarse que el fluido en la bomba es incompresible. En consecuencia, el trabajo de la bomba a menudo se determina, con grado de exactitud deseada, mediante la relación:

W entrada, bomba = vf (P2 - P1) s1 = s2.

Donde vf es el volumen específico del líquido saturado en el estado 1. Nótese, en la figura 2.9, que la longitud de la línea 1-2 está muy exagerada. La elevación de temperatura, debida a la compresión isentrópica, es en realidad muy pequeña.

La entrada de calor, la producción de trabajo isentrópico de la turbina y la expulsión de calor en el condensador, todas estas cantidades expresadas por la unidad de masa, son

qentrada, cald = h3 - h2. P3 = P2

wsalida, turb = h3 - h4. s3 = s4.

Qsalida, cond = h4 - h1 P4 = P1

La eficiencia térmica de un ciclo Rankine ideal puede entonces escribirse como:

η = (wT - WB)/qentrada.

CAPITULO 3

UTILIZACION DE UN PROGRAMA SIMULADOR POR COMPUTADORA PARA LA APLICACION

DEL ESTUDIO DEL CICLO DE CARNOT 3.1 INTRODUCCION

El avance tecnológico continuamente establece nuevos estándares para los profesionales de todo el mundo. Estos estándares crean, a su vez, parámetros de competitividad para los profesionales. Por esta razón, es vital para permanecer actualizado en el mundo actual. Sin embargo, esta actualización no es sencilla. Es necesario conocer a profundidad los aspectos teóricos y prácticos que constituyen la base de la mejor tecnología actual para lograrlo.

En Ingeniería Química y Mecánica, es muy importante saber los principios de las máquinas térmicas, ya que éstas son los aparatos que permiten aprovechar el calor y transformarlo en trabajo útil. Entonces, es muy importante aprender a reconocer físicamente cuáles son los elementos que forman a estos equipos.

Ahora bien, no es posible implementar un laboratorio que muestre físicamente

las partes que constituyen todos los tipos de máquinas térmicas, pues éstas, en su mayoría, son enormes aparatos que se utilizan para generar electricidad o potencia a gran escala. Es por esta razón, que han aparecido en el mercado diversos paquetes de software que pueden utilizarse para simular el comportamiento de los equipos utilizados

en los procesos de las máquinas térmicas. En su interés por educar, de manera integral, a futuros profesionales para que

lleguen a ser competitivos a nivel latinoamericano, la Universidad Rafael Landívar ha planificado adquirir sofisticados programas de simulaciones: (a) el Pro II con Provision, orientado específicamente a la Ingeniería Química, y (b) el CyclePad, orientado específicamente a las máquinas térmicas. 3.2. BREVE INTRODUCCION DE LAS APLICACIONES QUE PR ESENTA EL

CYCLEPAD El programa CiclePad tiene como finalidad, a corto plazo, ahorrar a la

Universidad los costos de la implementación de un laboratorio formal de máquinas térmicas para las escuela de Ingeniería Química y de Ingeniería Mecánica, y su finalidad inmediata es conseguir que los estudiantes apliquen sus conocimientos teóricos para realizar un análisis práctico lo más cercano posible al trabajo real de las máquinas térmicas.

A mediano plazo, se espera que los estudiantes de Ingeniería Química se

familiaricen con la operación de los simuladores, y les sea más fácil utilizar el paquete principal para su carrera, que es el Pro II.

Dentro de los objetivos a corto plazo, se incluye la realización de las prácticas

del laboratorio de Fisicoquímica. Es así, como para el estudio del Ciclo de Carnot, se ha determinado que el CyclePad proporciona las facilidades de trabajar con una gran variedad de posibilidades. A continuación, se describen dos ejemplos del uso del programa. 3.2.1 CICLO DE CARNOT ABIERTO En la figura 3.1 se muestra el esquema de un ciclo de Carnot abierto, elaborado en CyclePad. Como puede verse, es fácil reconocer el sentido del flujo del aire y la disposición de los equipos que forman el ciclo. La figura 3.2, por su parte, muestra la información general termodinámica del ciclo abierto que aparece en la figura 3.1. Debe hacerse notar, no obstante, que esta información general aparece hasta el final del análisis que el programa hace del ciclo, pues es imperativo que el usuario ingrese adecuadamente los datos de que dispone. El término “adecuadamente”, se refiere a que el usuario debe saber qué hacer con los datos que se le proporcionan. Es decir, debe reconocer una turbina adiabática, o un proceso isentrópico, al mismo tiempo que debe tener claro el concepto de qué temperatura es la máxima y qué temperatura es la mínima en el ciclo. A pesar de ser amigable, el programa exige un amplio conocimiento teórico de los ciclos de potencia. En este caso, del ciclo de Carnot Abierto. Siempre, en la figura 3.2, se puede observar que el programa solicita al usuario que le informe acerca de las condiciones generales de operación. Con esa información, el programa reconoce si se trata de un ciclo de potencia, de una bomba de calor o de una

refrigerador. Luego, muestra los datos numéricos sobre temperaturas y presiones, y sobre cantidad de calor y potencia requeridas o entregadas. Finalmente, muestra el dato más importante en el estudio del ciclo de Carnot Abierto: la eficiencia térmica del ciclo. La pantalla denominada “CYCLE” que aparece en la Figura 3.2, se obtiene luego de presionar en la barra de opciones, “Global Properties”. Otras opciones importantes son: 1. Library: opción que despliega todos los ciclos de potencia ya prediseñados con que

cuenta el programa. 2. Mode: indica si el programa va a dibujar o analizar el ciclo de potencia. 3. Preferences: permite al usuario dar al programa instrucciones globales importantes

como son: (a) Efectuar o no un análisis económico de los costos del ciclo real; (b) Utilizar unidades del Sistema Internacional o del Sistemas Norteamericano de Ingeniería; (c) Tomar o no los procesos adiabáticos como ideales; (d) Utilizar o no al aire estándar como sustancia de trabajo, etc.

En las figuras 3.3 a 3.6, se muestran las condiciones de operación de cada uno de los equipos que forman parte del ciclo estudiado. El usuario debe ingresar únicamente el tipo de operación (adiabática, isotérmica, isocórica, etc.) y el programa se encargará de efectuar los cálculos numéricos. Específicamente, la figura 3.3 muestra las condiciones de operación del compresor adiabática. Obsérvese cómo el usuario tuvo que definir que el proceso es adiabático, isentrópico y no politrópico. La figura 3.4, por parte, muestra las condiciones de operación de la turbina isotérmica. En este caso, el usuario debió definir que la turbina era isotérmica y no adiabática. Debe indicarse que el programa automáticamente determina que la turbina no es isentrópica debido a que no es adiabática. (Esta opción puede variarse, indicando al programa que la operación del ciclo no es reversible, y que entonces no tome a los procesos adiabáticos como isentrópicos). En el caso de la figura 3.5, se muestran las condiciones de la turbina adiabática. Nuevamente, el usuario fue quien definió todas las condiciones del equipo, y el programa efectuó los cálculos numéricos. Ahora bien, el ingreso de los datos requiere que el usuario tenga un conocimiento amplio de la teoría del ciclo, pues el CyclePad le pide que defina la operación de cada unidad presentándole una serie de opciones. Si el usuario no estuviera familiarizado con la teoría del Ciclo de Carnot Abierto, no podría ingresar ninguna suposición, y por lo tanto, el programa no efectuaría cálculo alguno. Por otra parte, aun cuando el usuario esté familiarizado con la teoría del ciclo

que esté analizando, debe tener cuidado al ingresar los datos, pues el ingreso de contradicciones hace que el programa despliegue pantallas donde se muestran los errores. Didácticamente, ésta es una gran ventaja del programa CyclePad, ya que el usuario observa donde están todas y cada una de las contradicciones que ocurrirían en el ciclo que está analizando, si se mantuvieran los datos que él ingresó. A fin de eliminar las contradicciones, el programa invita al usuario a eliminar uno o varios de los datos ingresados, explicando las razones por las que esto debe hacerse. Por último, la figura 3.6 muestra las condiciones con las que está operando el compresor isotérmico.

Por otra parte, en las figuras 3.7 a 3.10, se muestran las propiedades que tiene la sustancia de trabajo del ciclo en la entrada y la salida de cada uno de los equipos que forman el proceso. El usuario debe ingresar aquí el tipo de sustancia de trabajo (en este caso, aire gaseoso) y los datos de temperatura, presión y volumen que se le den en los problemas de los textos. Nuevamente, si se ingresan contradicciones, el programa proporciona información de qué errores hay en el ciclo y cuáles son las alternativas que existen para corregir los errores. Podría argumentarse que el programa elaboró todos los cálculos automáticamente y que el usuario no sabe qué es lo que sucedió, pero debe indicarse que existe la opción de preguntarle al programa información como: (a) Ecuaciones utilizadas para efectuar los cálculos; (b) Propiedades que están relacionadas unas con otras; (c) Suposiciones que se hicieron; (d) Significado de los resultados; (e) Información global sobre el ciclo, etc. Asimismo, el CyclePad permite que el usuario modifique datos del ciclo, a fin de obtener la eficiencia óptima. Específicamente, la figura 3.7 muestra las condiciones con las que el aire entra a la turbina isotérmica. Para ingresar información del aire en este punto, el usuario debe tener clara la teoría, en el sentido de que este punto corresponde a: (a) La máxima temperatura; (b) La entrada de la turbina isotérmica; y (c) La salida del compresor adiabático. Es imperativo entonces que el estudiante conozca a la perfección el diagrama T-s correspondiente a este ciclo. La figura 3.8, por su parte, muestra las condiciones con las que el aire entre a la turbina adiabática. Para ingresar la información correcta en este punto, el usuario debe saber que el mismo corresponde a: (a) La máxima temperatura; (b) La entrada de la

turbina adiabática; y (c) La salida de la turbina isotérmica. En el caso de la figura 3.9, se muestran las condiciones con las que entra el aire al compresor isotérmico. Para ingresar la información correcta, se debe saber que este punto corresponde a: (a) La mínima temperatura; (b) La entrada del compresor isotérmico; y (c) la salida de la turbina adiabática. En este punto, el lector puede pensar que la información que debe saber el usuario es trivial y evidente al ver el ciclo. Debe recordarse que, muchos problemas de aplicación sobre el Ciclo de Carnot Abierto, no muestran diagrama alguno, y esto hace que numerosos estudiantes no tengan claros los conceptos arriba indicados al momento de resolver los problemas. Nuevamente, la didáctica del programa se pone de manifiesto al facilitar la visualización de los elementos que forman el ciclo. Por último, la figura 3.10 muestra las condiciones con las que entra el aire al compresor adiabático. 3.2.2 CICLO DE CARNOT DE VAPOR En la figura 3.11 se muestra el esquema de un ciclo de Carnot de Vapor, elaborado en CyclePad. Como puede verse, es fácil reconocer el sentido del flujo del vapor y del agua líquida, y la disposición de los equipos que forman el ciclo. La figura 3.12, por su parte, muestra la información general termodinámica del ciclo de vapor que aparece en la figura 3.11. Debe hacerse notar, no obstante, que esta información general aparece hasta el final del análisis que el programa hace del ciclo, pues es imperativo que el usuario ingrese adecuadamente los datos de que dispone. A pesar de ser amigable, el programa exige un amplio conocimiento teórico de los ciclos de potencia. En este caso, del ciclo de Carnot de Vapor. El usuario está obligado a conocer que el ciclo de Carnot de Vapor consta de: una caldera, una turbina, un condensador y un compresor, y que la sustancia de trabajo es agua, la cual estará variando su estado de agregación conforme vaya pasando por lo diferentes elementos que componen el ciclo. Es más, el usuario debe estar familiarizado con los conceptos siguientes: (a) Líquido subenfriado; (b) Vapor saturado; (c) Vapor de húmedo de alta calidad; (d) Vapor húmedo de baja calidad; (e) Líquido saturado; y (f) Vapor sobrecalentado. Además debe saber interpretar la información proporcionada por las tablas de vapor y por los diagramas T-s del agua. Siempre, en la figura 3.12, se puede observar que el programa solicita al usuario que le informe acerca de las condiciones generales de operación. Con esa información, el programa reconoce si se trata de un ciclo de potencia, de una bomba de calor o de una refrigerador. Luego, muestra los datos numéricos sobre temperaturas y presiones, y sobre cantidad de calor y potencia requeridas o entregadas. Finalmente, muestra el dato más importante en el estudio del ciclo de Carnot de Vapor: la eficiencia térmica del ciclo, la cual es el patrón de referencia para todos los ciclos de vapor que existen.

La pantalla denominada “CYCLE” que aparece en la Figura 3.12, se obtiene luego de presionar en la barra de opciones, “Global Properties”. Otras opciones importantes son: 1. Library: opción que despliega todos los ciclos de potencia ya prediseñados con que

cuenta el programa. 2. Mode: indica si el programa va a dibujar o analizar el ciclo de potencia. 3. Preferences: permite al usuario dar al programa instrucciones globales importantes

como son: (a) Efectuar o no un análisis económico de los costos del ciclo real; (b) Utilizar unidades del Sistema Internacional o del Sistemas Norteamericano de Ingeniería; (c) Tomar o no los procesos adiabáticos como ideales; (d) Utilizar o no al aire estándar como sustancia de trabajo, etc.

En las figuras 3.13 a 3.16, se muestran las condiciones de operación de cada uno de los equipos que forman parte del ciclo estudiado. El usuario debe ingresar únicamente el tipo de operación (adiabática, isotérmica, isocórica, etc.) y el programa se encargará de efectuar los cálculos numéricos. Específicamente, la figura 3.13 muestra las condiciones de operación de la caldera. Obsérvese cómo el usuario tuvo que definir que el proceso es isobárico y el programa, asumió inmediatamente que no es isocórico. Para este tipo de equipos, el programa está dotado de una base de datos que proporciona los precios de las calderas reales similares a la que se calcule. La figura 3.14, por su parte, muestra las condiciones de operación de la turbina. En este caso, el usuario debió definir que la turbina era adiabática. Debe indicarse que el programa automáticamente determina que la turbina no es isotérmica ni politrópica, y que la misma, sí es isentrópica. (Esta última opción puede variarse, indicando al programa que la operación del ciclo no es reversible, y que entonces no tome a los procesos adiabáticos como isentrópicos). En el caso de la figura 3.15, se muestran las condiciones del condensador. Nuevamente, el usuario fue quien definió todas las condiciones del equipo, y el programa efectuó los cálculos numéricos. En este caso, se definió que el condensador es isobárico. Ahora bien, tal y como se mencionó al momento de explicar el Ciclo de Carnot Abierto, el ingreso de los datos requiere que el usuario tenga un conocimiento amplio de la teoría del ciclo, pues el CyclePad le pide que defina la operación de cada unidad presentándole una serie de opciones. Si el usuario no estuviera familiarizado con la teoría del Ciclo de Carnot de Vapor, no podría ingresar ninguna suposición, y por lo tanto, el programa no efectuaría cálculo alguno. Por último, la figura 3.16 muestra las condiciones con las que está operando el compresor, que en el caso del Ciclo de Carnot de Vapor, es adiabático e isentrópico. Es conveniente que el usuario esté familiarizado con los términos de eficiencia isentrópica, los cuales se refieren a la operación de las turbinas y compresores reales.

(La operación isentrópica se ha tomado convencionalmente como la óptima de cualquier equipo, por lo que su eficiencia ha sido designada como igual a 1. Cualquier equipo real operará con una eficiencia menor, debido a las irreversibilidades que se presentan en la naturaleza.

Por otra parte, en las figuras 3.17 a 3.20, se muestran las propiedades que tiene la sustancia de trabajo del ciclo en la entrada y la salida de cada uno de los equipos que forman el proceso. El usuario debe ingresar aquí el tipo de sustancia de trabajo (en esta agua), el estado de agregación en el que ésta se encuentra y los datos de temperatura, presión y volumen que se le den, en los problemas de los textos. Nuevamente, si se ingresan contradicciones, el programa da información de qué errores hay en el ciclo y cuáles son las alternativas que existen para corregir los errores. A diferencia del Ciclo de Carnot Abierto, la sustancia de trabajo cambia de estado de agregación de un equipo al otro. Es imperativo entonces que el usuario sepa que los estados de agregación por lo que pasa el agua en el Ciclo de Carnot de Vapor son: (a) Líquido saturado a la entrada de la caldera; (b) Vapor saturado a la entrada de la turbina; (c) Vapor húmedo de alta calidad a la entrada del condensador y (d) Vapor húmedo de baja calidad a la entrada de la bomba. Específicamente, la figura 3.17 muestra las condiciones con las que el agua entra a la turbina. Para ingresar información del agua en este punto, el usuario debe tener clara la teoría, en el sentido de que este punto corresponde a: (a) Vapor saturado; (b) La entrada de la turbina y (c) La salida de la caldera. Es imperativo entonces que el estudiante conozca a la perfección el diagrama T-s para el agua que corresponde a este ciclo. La figura 3.18, por su parte, muestra las condiciones con las que el agua entra al condensador. Para ingresar la información correcta en este punto, el usuario debe saber que el mismo corresponde a: (a) Vapor húmedo de alta calidad; (b) La entrada del condensador y (c) La salida de la turbina. En el caso de la figura 3.19, se muestran las condiciones con las que entra el agua al compresor. Para ingresar la información correcta, se debe saber que este punto corresponde a: (a) Vapor húmedo de baja calidad; (b) La entrada del compresor y (c) la salida del condensador. Por último, la figura 3.20 muestra las condiciones con las que entra el agua entra a la caldera. 3.3 OBSERVACION FINAL Ya que se han revisado someramente las aplicaciones del ciclo de Carnot que presenta el programa CyclePad, se puede deducir que es factible la realización de

proyectos computarizados para los cursos de Termodinámica. Luego de aprender los principios básicos de los ciclos de Carnot en el curso de Fisicoquímica, los estudiantes estarán familiarizados con el uso de los simuladores computarizados, lo cual facilitará el estudio y posterior aplicación del programa Pro II con Provision, que es específico para Ingeniería Química.

CAPITULO 4

PRACTICAS DE LABORATORIO PROPUESTAS PARA EL CICLO DE CARNOT

4.1 EQUIPO NECESARIO En el capítulo 2 se han explicado las razones por las cuales se ha seleccionado realizar la práctica del Ciclo de Carnot de vapor. Ahora bien, dada la importancia técnica que cada una de las partes constituyentes del ciclo (Caldera, intercambiadores de calor y turbina), tienen para futuras aplicaciones industriales, se ha considerado que la mejor forma de realizar la práctica experimental, es dividirla en tres partes, cada una enfocada a un elemento del ciclo. Las practicas a realizar son las siguientes: a)Análisis de los intercambiadores de calor; b) Análisis de caldera y; c) Estudio de una turbina tipo Pelton. 4.1.1 Análisis de los Intercambiadores de Calor. 4.1.1.1 Información general. Los intercambiadores de tipo SU, constituyen un diseño instántaneo para calentar líquidos con vapor. Aunque este tipo se usa para calentar varios tipos de líquidos, su mayor aplicación es la de calentar agua. Aquí se muestran los records para los incrementos de temperatura más comunes y determinadas presiones de vapor. Estos

datos se basan en el vapor de la carcasa y el líquido que pasa a través de los tubos. Estas unidades pueden conectarse a cualquier calderín o sistema. La capacidad del calderín debe revisarse para asegurar suficiente carga impuesta al SU. Algunos métodos, para controlar el vapor, deben proveerse de acuerdo a las instrucciones del manufacturero. Los intercambiadores SU se encuentran de 2,4,y 6 pasos y la longitud de los tubos alcanza los 10 pies, los diámetros de la carcasa llegan a las 30 pulgadas. Pueden obtenerse, a pedido, tubos de mayor longitud y construirse de otro material. Sin embargo, con el equipo disponible en el laboratorio de Operaciones Unitarias actualmente, es suficiente para la realización de las prácticas. En el apéndice B se encuentra copia del Manual de Operación, Instalación y Mantenimiento de los intercambiadores de calor marca ITT que se encuentran en el laboratorio de Operaciones Unitarias. 4.1.1.2 Descripción de la práctica Para que la práctica experimental sea lo más amplia posible, se presentan a continuación los manuales del estudiante y del catedrático. 1.Manual del Estudiante El texto del Manual del Estudiante sería el siguiente: UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR MANUAL DEL ESTUDIANTE FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL FISICOQUIMICA

LABORATORIO DE FISICOQUIMICA PRACTICAS DEL CICLO DE CARNOT

PRACTICA NO. 1: ANALISIS DE INTERCAMBIADORES En la presente práctica el estudiante reconocerá físicamente los elementos constituyentes de un intercambiador de calor. Con este fin, procederá a desarmar un intercambiador marca ITT que se encuentra en las instalaciones del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad. Luego, se procederá a ensamblar nuevamente el intercambiador.

Objetivos 1. Ampliar los conocimientos técnicos de los estudiantes, a fin de afrontar con éxito la

globalización del merado de servicios. 2. Que los estudiantes se familiaricen con el aspecto físico de los intercambiadores de calor,

ya que el ciclo de Carnot es el fundamento de las máquinas térmicas. 3. Que los estudiantes tengan claro el concepto de los intercambiadores de calor para cuando

cursen Termodinámica e Ingeniería Química 3 (Transferencia de Calor). 4. Que el estudiante se familiarice con el programa Cyclepad para ciclos de potencia, el cual

le servirá de soporte para el estudio posterior del programa Pro II con Provision.

Metodología El estudiante procederá a reconocer físicamente el intercambiador que va a trabajar, y pasada una semana, presentará un anteproyecto de la forma en que piensa realizar la práctica. Una vez que este anteproyecto ha sido revisado por el catedrático, el estudiante realizará la práctica y tendrá dos semanas para entregar el informe final, el cual debe realizarse de acuerdo a los lineamientos explicados por el catedrático al inicio del curso. El anteproyecto debe incluir una simulación en Cyclepad con, por lo menos, tres procesos diferentes. 2. Manual del Catedrático.

El texto del Manual del catedrático seria el siguiente:

UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR MANUAL DEL CATEDRATICO

FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL FISICOQUIMICA


PRACTICA NO. 1: ANALISIS DE INTERCAMBIADORES

En la presente práctica el estudiante reconocerá físicamente los elementos constituyentes de un

intercambiador de calor. Con este fin, procederá a desarmar un intercambiador marca ITT que se

encuentra en las instalaciones del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la universidad. Luego se

procederá a ensamblar nuevamente el intercambiador. A fin de que el estudiante realice a satisfacción la

práctica, es conveniente que se refiera al Manual de Operación, Instalación y Mantenimiento de

Intercambiador ITT, el cual se encuentra disponible en el site de ITT.

Objetivos 1. Ampliar los conocimientos técnicos de los estudiantes, a fin de afrontar con éxito la globalización del mercado de servicios. 2 Que los estudiantes se familiaricen con el aspecto físico de los intercambiadores de calor,

ya que el ciclo de Carnot es el fundamento de las máquinas térmicas. 3 Que los estudiantes tengan claro el concepto de los intercambiadores de calor para cuando

cursen Termodinámica e Ingeniería Química 3 (Transferencia de Calor). 4 Que el estudiante se familiarice con el programa Cyclepad para ciclos de potencia, el cual

le servirá de soporte para el estudio posterior del programa Pro II con Provision.

Metodología El estudiante procederá a reconocer físicamente el intercambiador que va a trabajar, y pasada una semana, presentara un anteproyecto de la forma en que piensa realizar la práctica. En este anteproyecto se debe incluir la siguiente información: - Diagrama de flujo de las actividades a realizar. - Descripción detallada de las partes del equipo revisado

- Descripción del procedimiento de desarmado y armado (el cual debe ser una traducción del Manual ya mencionado).

- Deseable: propuestas para el mejoramiento de la práctica. Una vez que este anteproyecto ha sido revisado por el catedrático, el estudiante realizara la práctica y

tendrá dos semanas para entregar el informe final. Los estudiantes no tienen fecha fija para la entrega de los trabajos, por lo que aquellos que entreguen sus anteproyectos con relativa prontitud, tendrán opción a que éstos sean revisados por el catedrático, quien les dará las modificaciones que tendrían que hacer. Obviamente, quienes entreguen el anteproyecto hasta el último momento, no tendrán opción a revisión.

El anteproyecto debe incluir una simulación en Cyclepad con por lo menos tres

procesos diferentes. Debe tenerse cuidado en este último aspecto del anteproyecto. A fin de no convertir a los estudiantes en simples ingresadores de datos, las simulaciones de Cyclepad deben incluir una aplicación teórica que informa acerca de los cálculos que realizó el programa; es decir, se debe presentar un informe escrito de los cálculos realizados por el programa y la teoría que fundamenta las suposiciones realizadas por el estudiante. En el caso del intercambiador de calor, no debe faltar la explicación de que el mismo operará en condiciones isobáricas por las exigencias de la operación del ciclo de Carnot, que es isotérmico al mismo tiempo debido a que en él se está produciendo la condensación del vapor que sale de la turbina ( es decir, se trata de un condensador evaporativo).

4.1.2 Análisis de la Caldera 4.1.2.1 Información general

La práctica de laboratorio de Fisicoquímica que analizará la caldera no es muy profunda y más bien se trata únicamente un estudio preliminar y superficial de las calderas. El estudiante aún no está preparado para comprender a cabalidad el funcionamiento de las calderas y por lo mismo no es conveniente exigirle un estudio muy detallado. Se sugiere la práctica siguiente, enfocada principalmente a que el estudiante reconozca las principales partes de la caldera y los cuidados que hay que tener con ella. La información que se sugiere distribuir entre los estudiantes antes de la

práctica, es la siguiente: (Refs. 1 y I).

I. Generalidades sobre calderas Aunque el estudiante sabrá que las calderas son las encargadas de formar el vapor dentro del ciclo de Carnot, es conveniente explicarle, antes de hacer práctica, la gran cantidad de aplicaciones que tienen las calderas. Sería deseable que, en el curso teórico, se realice una investigación sobre las aplicaciones de las calderas.

II. Tipos de calderas Si bien, en el laboratorio de Operaciones Unitarias se dispone de dos calderas: una en funcionamiento y una didáctica; estas son pirotubulares y muy similares entres sí, lo que podría provocar que el estudiante se conforme a que sólo existen calderas de este tipo. A fin de evitar este problema, es conveniente que los estudiantes revisen en el Internet los sites de las siguientes compañías y organizaciones: a) ABMA (Asociación Norteamericana de Fabricantes de Calderas); b) ASME (Asociación Norteamericana de Ingenieros Mecánicos); c) Cleaver Brooks (fabricante de calderas), y d) Kewanee (fabricante de calderas). III. Operación y mantenimiento de la caldera. Una operación de confianza, eficiente y segura de la caldera, comienza en seleccionar un sistema bien diseñado que esté de acuerdo con los criterios de Ingeniería y las necesidades de operación. Estos criterios se refieren a lo siguiente: a) Potencia requerida; b) Consumo de combustible necesario; c) Especificaciones ASME que se deben cumplir; d) Códigos locales que se deben cumplir; y e) Seguro para la operación. Al igual que los vehículos o aire acondicionado, una caldera requiere de un programa de mantenimiento a manera de extender la vida útil de operación. Un fabricante responsable provee mantenimiento, manuales de repuestos y operación del equipo adquirido; esto lo hace por intermedio de sus representantes. En Guatemala, el representante de la fabrica Cleaver Brooks es SIDASA, ubicada en la 10ªCalle 0-52 zona 9, Ciudad de Guatemala. El manual proporcionado por Cleaver Brooks contiene: 1. Descripción general y principios de operación 2. Información sobre la presión del equipo. 3. Requerimientos de agua. 4. Instrucciones de limpieza. 5. Recomendaciones para tratamiento de agua y de gases de escape 6. Instrucciones de inspección. 7. Instrucciones de operación y arranque 8. Procedimiento de ajuste. 9. Información sobre paros 10. Detalles de mantenimiento e inspección 11. Información de repuestos.

Los manuales de operación, mantenimiento y repuestos deben ser la mejor ayuda al entender el funcionamiento correcto de la unidad.

IV. Automatización de calderas La caldera CB100, de que dispone el laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad Rafael Landívar, tiene un módulo computarizado que controla todas las

operaciones de la misma. El módulo es el modelo CB70. Es conveniente que los estudiantes revisen las instrucciones de este módulo, para familiarizarse con una operación totalmente automatizada. Las instrucciones están disponibles en la oficina del Director del Laboratorio de Ingeniería. 4.1.2.2 Descripción de la práctica

Para que la práctica experimental sea lo más amplia posible, se presentan a continuación los manuales del estudiante y del catedrático.

1. Manual de Estudiante.

El texto del manual del Estudiante sería el siguiente:

UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR MANUAL DEL ESTUDIANTE FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL FISICOQUIMICA


PRACTICA NO. 2: ANALISIS PRELIMINAR DE CALDERAS En la presente práctica el estudiante reconocerá físicamente los elementos constituyentes de una caldera pirotubular de baja potencia. Con este fin, procederá a clasificar y a explicar el funcionamiento de los elementos de la caldera Kewanee que se encuentra desarmada en las instalaciones del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la Universidad.

Objetivos 1. Ampliar los conocimientos técnicos de los estudiantes, a fin de afrontar con éxito la

globalización del mercado de servicios. 2. Que los estudiantes se familiaricen con el aspecto físico de los diferentes componentes de

las calderas pirotubulares de baja potencia, las cuales son utilizadas para ciclos de potencia de vapores reales.

3. Que los estudiantes tengan claro el funcionamiento y utilidad de las calderas para cuando cursen Termodinámica e Ingeniería Química 3 (Transferencia de Calor) y el laboratorio de Operaciones Unitarias.

Metodología El estudiante procederá a reconocer físicamente las piezas de la caldera Kewanee, y pasadas dos semanas, realizará una exposición verbal dinamizada sobre el funcionamiento de

cada una de ellas con la ayuda de un presentador tipo Power Point 97. Esta presentación deberá incluir una explicación sobre la operación y mantenimiento de calderas, así como de los tipos de las mismas que hay disponibles en el mercado. 2. Manual del Catedrático.

El texto del Manual del catedrático seria el siguiente:

UNIVERSIDAD RAFAEL LANDIVAR MANUAL DEL CATEDRATICO

FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL FISICOQUIMICA


PRACTICA NO. 2: ANALISIS PRELIMINAR DE CALDERAS

En la presente práctica el estudiante reconocerá físicamente los elementos constituyentes de una

caldera pirotubular de baja potencia. Con este fin, procederá a clasificar y a explicar el funcionamiento

de los elementos de la caldera Kewanee que se encuentra desarmada en las instalaciones del Laboratorio

de Operaciones Unitarias de la Universidad.

La caldera Kewanee fue donada por Procter & Gamble en 1,997, y todavía estaba en condiciones

de operación cuando se recibió en la Universidad. Fue desarmada en el curso de Laboratorio de

Operaciones Unitarias I del primer semestre de 1,998, y todas las piezas fueron clasificadas. Ahora bien,

se solicita en esta práctica que los estudiantes sepan qué hace cada una de las partes, y en qué orden

deberían ir instaladas en la caldera.

Para que se consiga esto último, se dispone también de una caldera pirotubular Cleaver Brooks modelo CB100, la cual está en condiciones óptimas de operación. Los manuales de partes, Operación y Mantenimiento de ambas calderas se encuentran en la oficina de la Dirección del Laboratorio de ingeniería. Objetivos 1. Ampliar los conocimientos técnicos de los estudiantes, a fin de afrontar con éxito la

globalización del mercado de servicios. 2. Que los estudiantes se familiaricen con el aspecto físico de los diferentes componentes de

las calderas pirotubulares de baja potencia, las cuales son utilizadas para ciclos de potencia de vapores reales.

3. Que los estudiantes tengan claro el funcionamiento y utilidad de las calderas para cuando cursen Termodinámica e Ingeniería Química 3 (Transferencia de Calor) y el laboratorio de Operaciones Unitarias.

Metodología El estudiante procederá a reconocer físicamente las piezas de una caldera Kewanee, y pasadas dos semanas, realizará una exposición verbal dinamizada sobre el funcionamiento de cada una de ellas con la ayuda de un presentador tipo Power Point 97.

Los puntos que se deben incluir en la presentación son: a) Descripción de las piezas; b) Orden lógico que tendrían las piezas en la caldera; c) Tipos de calderas que podrían sustituir a la que se tiene; y d) Explicación de los fundamentos de la operación de las calderas. Es recomendable que la exposición se haga en las instalaciones del laboratorio de Operaciones Unitarias, para que el estudiante pueda mostrar las piezas físicamente.

Esta presentación deberá incluir una explicación sobre la operación y mantenimiento de

calderas, así como de los tipos de la misma que hay disponibles en el mercado. Los estudiantes deben elaborar la presentación en Power Point 97 (0 similar).

4.1.3 Estudio de una Turbina Tipo Pelton.(Ref. 2) 4.1.3.1 Información general.

Tanto el ciclo de Carnot abierto, como el ciclo de Carnot de vapor, se refieren a turbinas. Sin embargo, es muy difícil visualizar una turbina sólo con los conceptos teóricos. Por esta razón, se sugiere que se realice una práctica específica sobre turbinas.

En el laboratorio de Operaciones Unitarias se encuentra disponible una turbina didáctica de tipo rueda Pelto. La rueda Pelton es un turbina hidráulica en donde una o más boquillas envían tangencialmente chorros de agua a gran velocidad hacia los álabes montados alrededor de ella. La fuerza producida por estas boquillas genera un torque que causa que la rueda rote produciendo una gran potencia axial.

Potencia de salida de 100 MW y eficiencias alrededor del 95 %, no son extrañas en las turbinas tipo pelton. Sin embargo, en modelos didácticos para laboratorio, como el que está disponible en la Universidad, la salida puede ser únicamente unos cuantos watts.

Las instrucciones de funcionamiento son las siguientes: I. Proceso de calibración del dinamómetro: 1. Ponga horizontal el brazo del cuadrante con el gancho de suspención de pesos colgando

de la agua en el radio de 100mm. 2. Gire hacia la izquierda el mando de carga ( en la parte superior) para hacer descender el pivote del

brazo de palanca, hasta que el cordón de fricción quede suelto. 3. Ajuste la tensión del soporte hasta que la aguja quede en el centro, entre los topes superior

e inferior. 4. Coloque un masa de 50 gramos en el gancho. Libere el brazo del cuadrante y gírelo

lentamente hacia la derecha hasta que la aguja abandone el tope inferior y alcance una posición centrada en los topes.

5. Lea y tome nota de la posición angular de la aguja con relación a la escala. 6. Añada masas adicionales incrementos de 10 o 20 gramos, según interese, y tome nota de

la desviación angular para cada carga. 7. Trace un gráfico de calibración de masas añadidas frente a desviación angular. La

pendiente es el factor de calibración. II Proceso de ensayo.

1. Baje el pivote del brazo de palanca y monte el cordón de fricción alrededor del tambor. 2. Abra totalmente la válvula de alimentación. Gire la válvula de control de la rueda Pelton

hasta casi la posición 4 ( lo que proporciona el flujo máximo, aproximadamente). 3. Gire el mando de carga (en la parte superior) hacia la derecha para levantar el pivote del

brazo de palanca y aplicar un par resistente a la rueda Pelton. El par de fricción moverá la aguja hasta el tope inferior.

4. Libere el cuadrante y gírelo hacia la derecha para elevar la aguja del tope. Lea y tome nota de la desviación angular. Utilice un estroboscopio adecuado o taquímetro óptico para registrar la velocidad de giro de la rueda Pelton.

5. Repita, para los otros ajustes de par resistente, hasta que el motor se detenga. Repita para diferentes valores de flujo.

Pasadas dos semanas, el estudiante deberá presentar un anteproyecto en el que explique cómo va a

encontrarla eficiencia de la turbina valiéndose del software que proporciona el fabricante de la turbina. Este software y sus instrucciones están disponibles en la Dirección del Laboratorio de Ingeniería.

Una vez aprobado el anteproyecto, por otra parte el catedrático, el estudiante tendrá una

semana para realizar la práctica y presentar el informe final sobre la misma. El informe final debe incluir tablas en Excel 97 en donde se presenten los datos encontrados mediante software de la turbina. No existe problema alguno para trasladar información entre un paquete y otro.

GLOSARIO A • ABMA

Siglas de la asociación norteamericana de fabricantes de equipos de generación y manejo de vapor.

• Adiabático

Refiérese al proceso que ocurre sin que haya absorción o entrega de calor a los alrededores del sistema.

• ALCA

Siglas de la Alianza Latinoamericana de Comercios Abiertos.

• Alrededores

Es todo aquello que está fuera del sistema. • ASME

Siglas de la Asociación Norteamericana de Ingenieros Mecánicos C • Calor

Es la cantidad de energía de un sistema que es entrega a los alrededores, y cuyo efecto en los mismos es un aumento o descenso de la temperatura.

• Carnot

Apellido del físico italiano Nicolás Sadi Carnot, quien en 1824 hiciera los estudios sobre el ciclo de potencia que lleva su nombre (1,752 – 1,827).

• Ciclo de potencia

Máquina térmica que transforma gran parte del calor que absorbe en trabajo útil. Históricamente, ha sido ampliamente utilizada para estudiar la segunda ley de la termodinámica.

• Cleaver Brooks

Marca de una fábrica productora de calderas. Específicamente, es la marca de la caldera con que cuenta la Universidad Rafael Landívar.

E • Energía Interna

Energía que mide la cantidad de energía cinética de las moléculas que constituyen a una sustancia determinada. Se utiliza específicamente en procesos sin flujo.

• Energía Libre de Gibbs

Unidad energética derivada de la entropía. Mide la parte de la energía de un cuerpo susceptible de transformarse, produciendo trabajo. Es muy importante, porque es la medida termodinámica de la espontaneidad de los procesos que ocurren en sistemas que están a temperatura y presión constante.

• Entalpía

Energía que mide la cantidad de energía cinética de las moléculas que constituyen a una sustancia determinada, más el trabajo necesario para que esta sustancia fluya. Se utiliza específicamente en procesos de flujo.

• Entropía

Es una medida energética del desorden molecular que tiene una determina sustancia o mezcla en un sistema debidamente definido. Es muy importante, porque es la medida termodinámica de la espontaneidad de los procesos que ocurren en sistemas aislados.

• Espontaneidad

Es la factibilidad de que ocurra un proceso en la naturaleza. F

• Frontera

Es la superficie que delimita perfectamente a un sistema. Puede ser real o imaginaria.

G • Gibbs

Véase la Energía Libre de Gibbs. I • Isentrópico

Dícese de los procesos que ocurren sin que haya cambio en la magnitud de la entropía del sistema.

• Isobárico

Dícese de los procesos que ocurren sin que haya cambio en la magnitud de la presión del sistema.

• Isocórico

Dícese de los procesos que ocurren sin que haya cambio en la magnitud del volumen del sistema.

• Isotérmico

Dícese de los procesos que ocurren sin que haya cambio en la magnitud de la temperatura del sistema.

K • Kewanee

Marca de una fábrica productora de calderas. Específicamente, es la marca de la caldera didáctica con que cuenta la Universidad Rafael Landívar.

M • Máquina térmica

Aparato que transforma en trabajo útil parte del calor que absorbe desde los alrededores. Se utiliza, sobre todo, en motores y generadores.

P • Potencia, Ciclos de

Véase Ciclos de Potencia.

S • Sistema

Región del Universo cuyas propiedades se están investigando.

• Sistema abierto

Sistema en el que hay intercambio con el exterior: ya sea pérdida o ganancia de materia. • Sistema cerrado (o estático)

Sistema en el que no hay ganancia ni pérdida de materia con el exterior del mismo. • Sistema térmicamente aislado

Sistema en el cual no se presenta intercambio de calor con el medio que lo rodea. T • Trabajo

Es la cantidad de energía de un sistema que es entrega a los alrededores y cuyo efecto, en los mismos, es un aumento o descenso de la altura de un objeto colocado sobre una de las fronteras del sistema.

U • URL

Universidad Rafael Landívar.

• USAC

Universidad de San Carlos de Guatemala.

CONCLUSIONES 1. Por medio del desarrollo de las prácticas de Operación de intercambiadores de calor,

Operación de Calderas y Operación de Turbina Pelton, el estudiante aplicara en forma práctica los conocimientos teóricos básicos del Ciclo de Carnot.

2. Con la utilización de los nuevos programas Cyclepad y Pro II con Provisión, el

estudiante puede simular los Ciclos de Carnot, consiguiendo hacer un análisis práctico lo más cercano posible al trabajo real de las máquinas térmicas.

3. Según la metodología propuesta para cada práctica, se presiona al alumno a investigar,

de una forma más profunda, la metodología para el desarrollo de las prácticas. 4. Para la realización de las prácticas propuestas para el estudio del Ciclo de Carnot, se

requiere del equipo del Laboratorio de Operaciones Unitarias con que cuenta la URL, con lo cual se optimizan los recursos con que ya se cuenta.

RECOMENDACIONES

1. No se deben tener estas prácticas como definitivas, ya que se debe tomar en cuenta las experiencias de los alumnos. Esto permite tener una mejor visión de los nuevos requerimientos individuales de los alumnos.

2. Es necesario desarrollar metodología apropiada que obligue al estudiante a cultivar

la virtud de la responsabilidad. Esto ayudará a que los estudiantes se desarrollen mejor en la vida profesional.

3. Es evidente que, para obtener mejores profesionales, es necesario contar con

catedráticos conscientes de la labor docente que puedan estar en la universidad a tiempo completo, evidenciando: Capacidad, responsabilidad y calidad académica.

4. Es necesario buscar nuevas fuentes de información para obtener herramientas que

contribuyan a seguir elevando el nivel académico de la universidad, como visitas periódicas a instalaciones en funcionamiento relacionadas con la profesión y acceso a una bibliografía actualizada con temas de interés para los ingenieros.

BIBLIOGRAFIA

1. Cleaver Brooks. Model CB Packaged Boilers. Manual Part No. 750-101. Milwaukee, E.E.U.U.: 1985.

2. Del Valle, Ana Luisa: Rediseño y planeación del laboratorio de Fisicoquímica. Práctica de gases. (Tesis, Universidad Rafael Landívar). Guatemala, 1,997.

3. Granet, Irving. Termodinámica. Prentice Hall; México: 1,988. 4. Hernández, Obdulio: Perspectiva para el profesional hondureño ante la apertura

comercial de servicios, prevista para el año 2,000. (Primer Congreso Nacional de Profesionales Guatemaltecos: 50 años de la Colegiación Profesional Obligatoria). 1,997.

5. Navarro, Ana Lucía: Rediseño y planeación del laboratorio de Fisicoquímica.

Práctica de cinética química. (Tesis, Universidad Rafael Landívar). Guatemala, 1,998.

6. Smith., Van Ness: Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química.

McGraw-Hill, Mexico: 1,988. 7. TecQuipment Ltd. Manual de Operación de Turbina Pelton H19. Nottingham,

Inglaterra: 1,997. 8. Wark, Kenneth. Termodinámica. McGraw-Hill; México: 1,991.

REFERENCIAS VIRTUALES I Cleaver Brooks (Fábrica de Calderas)

http:\\www.cleaver-brooks.com II CyclePad (Programa de Simulación de Ciclos de Potencia) III Kewanne Boilers (Fábrica de Calderas)

http:\\www.kewanee.com

ENTREVISTAS

- Sr. Arturo Espinoza: encargado de los laboratorios de ingeniería de la Universidad Rafael Landívar.

- Sr. César Gámez: encargado de los laboratorios del área de química de la

Universidad Rafael Landívar. - Ing. Eduardo Barrios Bathen: catedrático de la Universidad Rafael Landívar. - Ing. Paulo E. Herrera M.: director de los laboratorios de ingeniería de la

Universidad Rafael Landívar. - Ing. Roberto Palacios: catedrático de la Universidad Rafael Landívar. - Ing. Víctor Mejía: ingeniero egresado de la Universidad de San Carlos de

Guatemala.

“rediseÑo del laboratorio de fisicoquimica” prácticas …

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