“Experiencia E-94”Título de vapor

Nombre Alumno : José Luis Tapia OlmedoNombre Profesor : Iván JerezAsignatura : TermodinámicaFecha Realización : 7 de Mayo de 2011Fecha Entrega : 14 de Mayo de 2011

INDICE

1

Resumen del contenido del informe 3

Objetivos de la experiencia 3

Características técnicas de los equipos e instrumentos empleados 4

Descripción del método seguido 5

Presentación de los resultados 5

Discusión de los resultados, conclusiones 6

Apéndice:

Teoría del experimento 7Desarrollo de los cálculos 9Tablas de valores obtenidos y calculados 11Bibliografía empleada 12

2

3. Resumen del contenido del informe.

En el presente informe se presentaran los datos experimentales de la experiencia E94, la que consiste en la medición de “Titulo de vapor”. Para la medición experimental de esta experiencia se utilizaron dos métodos distintos; Calorímetro de Mezcla y Calorímetro de Ellison.

El método con Calorímetro de Mezcla consiste en introducir vapor dentro de un calorímetro con agua a temperatura ambiente en su interior, esto se realiza a través de un apéndice proveniente de la caldera que se introduce dentro del calorímetro.Este proceso se realiza hasta que la temperatura dentro del recipiente alcanza los 61ºC, puesto que el agua a dicha temperatura presenta problemas de vaporización, con lo cual el vapor puede escapar y junto con ello la comprobación experimental queda invalidada, por pérdida de masa de vapor.

El método con Calorímetro de Ellison consta en medir la temperatura del vapor una vez que se expande desde el interior de la caldera a la presión atmosférica, logrando obtener vapor sobrecalentado.

Para llevar a cabo esta experiencia será necesario medir en el lugar datos de presión y temperatura, además, en el caso del calorímetro de mezcla se deberá medir la masa de este con y sin agua. Una vez finalizada la experiencia se procederá a recopilar los datos obtenidos junto con los entregados por tablas (entalpía) para analizarlos en la ecuación entregada para determinar el título de vapor.

4. Objetivos de la experiencia.

4.1. OBJETIVO GENERAL

Capacitar al alumno para que reconozca e identifique los diferentes dispositivos que permiten determinar el título de vapor. Adicionalmente, a través de la utilización y aplicación de los principios termodinámicos el alumno evaluará el título de vapor para un calorímetro de mezcla, de Ellison o de sobrecalentamiento.

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

a) El alumno será capaz de identificar las variables fundamentales que afectan la medición de la calidad de vapor.

b) Podrá verificar el comportamiento de tres tecnologías existentes en la determinación de la calidad de vapor, esto es, para un calorímetro de mezcla, de expansión y de sobrecalentamiento.

c) Evaluará los errores asociados a cada metodología utilizada en la determinación del título de vapor.

3

5. Características técnicas de los instrumentos empleados.

Barómetro de mercurio: Barómetro de mercurio, marca Schiltknech el que utiliza el desplazamiento de mercurio para la lectura de la presión atmosférica, cuya resolución es de 0.1 mm de hg equipado con un nonio, su rango de operación va desde los 600 mm de hg hasta los 820 mm de hg. El error de este instrumento es de 0.06

Termómetro: Termómetro de expansión de mercurio de marca Schiltknech, montado en el barómetro. Su funcionamiento se debe a la expansión o contracción del mercurio a consecuencia de cambios de temperaturas a las que se encuentra sometido, calibrado para entregarnos la temperatura en grados Celsius.Su rango de operación va desde los -30°c hasta los 40°c, su resolución es de 1°c y su error de ± 0.1 °C.

Calorímetro de mezcla: Recipiente de forma cilíndrica. Sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos, posee tres orificios en la tapa, la cual impide que escape el vapor. Construido de bronce.

Calorímetro de Ellison: Dispositivo externamente adiabático (de

forma ideal). Conectado mediante una tubería que proviene de la caldera a una válvula que permite el paso del vapor desde la caldera al calorímetro. Su función es que mediante la estrangulación de vapores saturados da a lugar a vapores sobrecalentados cuya temperatura y presión pueden ser registradas.

Balanza digital, marca “Snowrex”, modelo NV-30: Instrumento de medición que permite medir la masa de un objeto. Marca: Snow Rex.– Modelo: NV30 - Peso Max: 30kg Rango de error: ± 0,002 Kg.

Caldera, marca “Servimet”, modelo MIX 500 v p g: Máquina o dispositivo que genera vapor saturado a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado liquido, se calienta y cambia de estado. Modelo: Mix 500 vpg. - Sup. de Calefacción: 17,2 m2 - P. máxima: 7 Kg/cm2. - Año fabricación: 2002

Transductor Fluke:Modelo: Fluke-52II , Rango de mediciones: -200 a 760 °C ó –328 a 1.400 °F, Sensibilidad : 0,1°C (en la escala utilizada en la experiencia)Error Instrumental: 0,05°C

Termocupla: Dispositivo formado por la unión de dos metales distintos que produce un voltaje (efecto Seebeck), que es función de la diferencia de temperatura.En este caso se uso una termocupla de tipo “K”. Se empleó una termocupla de Inmersión. El rango de f.e.m medida es de -5.51 a 51.05 mV

4

6. Descripción del método a seguir.

6.1 Para el calorímetro de mezcla:

a) Medir la temperatura del agua que alimenta a la caldera.

b) Medir la presión y la temperatura del ambiente.

c) Medir masa del calorímetro sin nada en su interior.

d) Llenar el calorímetro con un nivel determinado de agua, volver a medir masa, para luego por diferencia de masa obtener la masa del vapor.

e) Colocar el agitador y la tapa al calorímetro para comenzar la experiencia.

f) Agitar el agua cada dos minutos para el calor se distribuya de forma homogénea, este proceso se realiza hasta que la temperatura al interior del calorímetro llega a los 61ºC.

g) Se cierra el paso de vapor desde la caldera.

6.2 Para el calorímetro de Ellison:

Medir la temperatura del vapor una vez que se expande desde el interior de la caldera a la presión atmosférica, logrando obtener vapor sobrecalentado.

7. Presentación de Resultados.

7.1 En el calorímetro de mezcla los datos fueron los siguientes:

Energía H2O: 66.75 [kj/kg]Energía final de la mezcla: 255.35 [kj/kg]

hf: 701.06 [kj/kg]hfg: 2062.54 [kj/kg]

Titulo de vapor: 0.93639 = 93.64%

7.2 En el calorímetro de Ellison los datos fueron los siguientes:

Temperatura del vapor a presión atmosférica: 105 [ºC]Presión atmosférica corregida: 717.3 [mmHg]

0.095616 MPaPresión Caldera: 0.621 [MPa]hv: 2685.81 [kj/kg]

Titulo de vapor : 0.9622 = 96.22%

5

8. Conclusión y Discusión de resultados.

La mejor calidad de vapor es cuando su título es más cercano al 1 o 100%, bajo esta premisa podemos comprobar que el título obtenido mediante el método de calorímetro de Ellison arroja que su calidad es un tanto mejor si la comparamos con el otro método, el calorímetro de mezcla.

El que el calorímetro de mezcla haya obtenido una calidad un tanto inferior, se puede ser producto que el calorímetro es antiguo, su desgaste con el tiempo hace que las paredes no sean totalmente adiabáticas, puesto que una vez terminada la experiencia notamos que las paredes de este calorímetro por fuera estaban tibias por ende había un intercambio de calor con el exterior, junto con su pérdida de energía.

Otro punto importante en el calorímetro de mezcla es la temperatura tope para realizar la experiencia, 61ºC. Esto debe a que el agua sobre dicha temperatura tiene problemas de vaporización y por consiguiente el vapor dentro del recipiente podría eventualmente salir de esté.

Independiente del análisis hecho anteriormente el título de vapor obtenido por el método de calorímetro de mezcla, fue bastante bueno dando como resultado un titulo de vapor igual a 0.93639.

En el caso del calorímetro de Ellison la muestra resulto más que optima que la presentada anteriormente. El título de vapor fue de 96.22 %, esto se debe a que este calorímetro consiste en una expansión adiabática, donde no hay un intercambio de calor con el exterior y al hacer pasar el vapor por un orificio muy pequeño, se produce una expansión desde la caldera a la presión atmosférica y por fricción se produce un sobrecalentamiento del vapor, o que lo convierte en vapor seco.

6

9. Apéndice.

9.1 Teoría del experimento

Vapor de agua.

Agua en estado gaseoso, en condiciones normales se obtiene a los 100ºC, el vapor de agua puro es un gas invisible, pero con frecuencia, cuando el agua hierve, el vapor arrastra minúsculas gotas de agua, y puede verse la mezcla blanquecina resultante. Un efecto similar tiene lugar cuando se expulsa vapor de agua seco a la atmósfera más fría, parte del vapor se enfría y se condensa, en estos casos se dice que el vapor está húmedo.

Cuando el vapor se encuentra exactamente en el punto de ebullición que corresponde a la presión existente se lo denomina vapor saturado. Si este se calienta por encima de esta temperatura se produce el llamado vapor sobrecalentado.

Otra forma de obtener sobrecalentamiento es cuando se comprime el vapor saturado.

También se puede obtener vapor sobrecalentado al estrangularlo haciéndolo pasar por una válvula situada entre un recipiente de alta presión y otro de baja presión. El estrangulamiento hace que la temperatura del vapor caiga ligeramente, pero a pesar de ello su temperatura es superior a la del vapor saturado a la presión correspondiente.

Titulo de vapor.

Corresponde a la fracción en masa o peso de la mezcla total, que corresponde a vapor, en otras palabras es la cantidad de vapor por cantidad de mezcla de vapor y agua disponible.

X=mv

mv+ml

Con: mv: Masa de vapor.Ml: Masa de liquido.

Líquido saturado.

Se dice que el líquido está saturado si al agregar energía (calor), una fracción de él pasa a la fase vapor. A presión ambiente (1 bar) esto ocurre a los 100ºC de temperatura. La energía agregada produce un cambio de fase y es un aporte de calor latente.

Líquido subenfriado.

En este caso al agregar energía al líquido, esto se traduce en un aumento de temperatura. La energía agregada produce un cambio de temperatura y es un aporte de calor sensible.

Entalpía.

La entalpía (simbolizada generalmente como "H", también llamada contenido de calor, y medida en la unidad "Btu/lb", y KJ/kg en el sistema internacional), es una variable de estado, (que sólo depende de los estados inicial y final) que se define como la suma de la energía interna de un sistema termodinámico y el producto de su volumen multiplicado por la presión. La entalpía total de un sistema no puede ser medida directamente, al igual que la energía interna, en cambio, la variación de entalpía de un sistema sí puede ser medida experimentalmente.

El cambio de la entalpía del sistema causado por un proceso llevado a cabo a presión constante, es igual al calor absorbido por el sistema durante dicho proceso.

La entalpía se define mediante la siguiente ecuación:H = U + PV

Donde: U es la energía interna. P es la presión del sistema.

V es el volumen del sistema.

7

Calorímetro.

El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por un cuerpo. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

Hay Varios tipos de calorímetros, a continuación una breve descripción de los usados en este informe:

Calorímetro de Mezcla.

Este tipo de calorímetro permite contener en su interior una cantidad determinada de agua en fase liquida, la que actúa como medio condensante del vapor al estar a temperatura ambiente.

Este tipo de calorímetro consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de vapor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro.

Con las mediciones obtenidas antes y después de alcanzado el equilibrio entre el vapor y el agua, permiten a través de un balance energético determinar la calidad del vapor introducido.

Calorímetro de estrangulación o de Ellison.

En este tipo de calorímetros el principio de funcionamiento esta dado por una expansión adiabática, de modo que no hay variación en la entalpía del vapor, cuando hacemos pasar un vapor saturado por un orificio muy pequeño (estrangulación) se produce una caída de presión (expansión del vapor), un aumento de velocidad, la cual desaparce poca distancia del orificio, se reduce el caudal y sobretodo, por efecto de la fricción, se produce un recalentamiento del vapor sin que realice trabajo.

Calderas.

Caldera es todo aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en energía utilizable, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor.

Una Caldera es un dispositivo cuya función principal es calentar agua. Cuando supera la temperatura de ebullición, genera vapor. El vapor es generado por la absorción de calor producido de la combustión del combustible. La caldera se encarga de absorber el calor proveniente de las áreas del economizador, el horno, el supercalentador y el vapor recalentado. Las calderas pueden ser eléctricas, a gasóleo o combustible diésel, a gas natural, gas butano, etcétera.

Presión atmosférica.

La presión atmosférica es la presión del aire sobre la superficie terrestre. Además es un factor abiótico. La atmósfera tiene una presión media de 1013 milibares (o hectopascales) al nivel del mar. La medida de presión atmosférica del Sistema Internacional de Unidades (S.I.) es el newton por metro cuadrado (N/m2) o Pascal (Pa). La presión atmosférica a nivel del mar en unidades internacionales es 101325 N/m2 o Pa.

8

9.2 Desarrollo de cálculos.

a) Título de vapor (calorímetro de mezcla).

A conocer:

Masa calorímetro : 11.682 kg.Masa calorímetro + agua : 22.370 kg.Masa calorímetro + agua + vapor de agua : 23.218 kg.Masa de agua (mH2O) : 10.688 kg.Masa de vapor de agua (mv) : 0.848 kg.Masa final o de mezcla (mf) : 11.536 kg.Presión de la Caldera (manométrica)(Pman) : 0.621 MPaPresión absoluta de la caldera (Pcal) : 0.716616 MPa

Cálculo de uf y uH2O: Con la temperatura final de la mezcla (tºf) y la temperatura inicial del agua (tºH2O) se interpolan los datos de la tabla de “vapor saturado”. Sabiendo:

tºf = 61º CtºH2O = 15.9º C

Interpolación para determinar UH2O.

x1 = 15 x2 = 20 x = 15.9 ºC

y1 = 62.98 y2 = 83.91 Y = ¿? kj/kg

UH2O = Y = 66.75 kj/kg

Interpolación para determinar Uf.

x1 = 60 x2 = 65 x = 61 ºC

y1 = 251.16 y2 = 272.09 Y = ¿? kj/kg

Uf = Y = 255.35 kj/kg

Interpolación para determinar hf.

x1 = 700 x2 = 750 x = 716.616 kPay1 = 697 y2 = 709.24 Y = ¿? kj/kg

hf = Y = 701.06 kj/kg

Interpolación para determinar hfg.

x1 = 700 x2 = 750 x = 716.616 kPay1 = 2065.8 y2 = 2056.4 Y = ¿? kj/kg

hfg = Y = 2062.54 kj/kg

Reemplazando datos en la fórmula de hv, se tiene:

hv=

mf U f−mH 2O UH 2O

mv

hv=(11.536x255.35)-(10.688x66.75) 0.848

9

hv= 2632.42 KJ/kg

Por lo tanto el titulo de vapor para el calorímetro de mezcla es:

x=

hv−h f

hfg

X= 2632.42- 701.06 2062.54

X = 93.64 %

b) Título de Vapor Calorímetro Expansión o Ellison

Datos

P atmosférica = 0.09563 MPahf = 716,96 Kj/kghfg = 2050.94 Kj/kg

Se necesitan datos obtenidos de la tabla de “Agua Vapor Saturado”, tenemos lo siguiente:

Interpolación:

x1 = 0.05 x2 = 0.10 x = 0.09563 MPay1 = 81.32 y2 = 99.61 Y = ¿? ºC

Y = 98.011 ºC

Por se cumple que la temperatura de saturación es menor que la temperatura del vapor.

Por lo tanto Tº de Saturación = 98.011ºC = 371.161 K

Cálculo de hv.

Datos

Tº final del proceso = 105ºC = 378.15 K

Interpolaciones:

x1 = 100 x2 = 150 x = 105 ºCy1 = 2682.4 y2 = 2780.2 Y = ¿? kj/kg

hv = Y = 2692.18 kj/kg

Esta interpolación corresponde a hv para T = 105ºC a 0.05MPa.

x1 = 100 x2 = 150 x = 105 ºCy1 = 2675.8 y2 = 2776.6 Y = ¿? kj/kg

hv = Y = 2685.88 kj/kg

Esta interpolación corresponde a hv para T = 105ºC a 0.10 MPa.

10

x1 = 0.05 x2 = 0.10 x = 0.09563 MPay1 = 2692.18 y2 = 2685.88 Y = ¿? kj/kg

hv = Y = 2685.81 kj/kg

Esta interpolación corresponde a hv para T = 105ºC a 0.09563MPa.

Por lo tanto el titulo de vapor para el calorímetro de Ellison es:

x=

hv−h f

hfg

X= 2685.81 - 701.06 2062.54

X = 96.22 %

9.3 Tabla de valores obtenidos y calculados.

a)Calorímetro de Mezcla.

Tabla de Valores Obtenidos.

Masa calorímetro 11.682 kg.Masa calorímetro con agua 22.370 kg.Masa calorímetro + agua + vapor 23.218 kg.Temperatura del agua 15.9º CTemperatura final 61º CPresión manométrica de la caldera 0.621MPa

Tabla de Valores Calculados

b)Calorímetro de Ellison.

Tabla de Valores Obtenidos.

Presión atmosférica (Patm) 717.3 mmHg

11

Masa de agua (mH2O) 10.688 Kg.

Masa de vapor (mv) 0.848 Kg.

Masa final (mf) 11.536 Kg.

uH2O 66.75 kJ / kg.

uf 255.35 kJ / kg.

hv 2632.42 kJ / kg.

hf 701.06 kJ / kg.

hfg 2062.54 kJ / kg.

x 0,93639

93.64 %

Temperatura de vapor 105º C

Tabla de Valores Calculados.

10. Bibliografía:

Termodinámica, Yunus A. Cengel, Michael A. Boles, Tomo II, segunda edición, Editorial Mc Graw Hill.

Apuntes de Laboratorio

12

hv 2685.81 kJ / kg.

hf 701.06 kJ / kg.

hfg 2062.54 kJ / kg.

x 0,96228

96,22 %