Laboratorio de Termodinámica Práctica de Título de vapor 12/01/2019 Anthony Steven Barzola Navarrete Facultad De Ingeniería Mecánica Y Ciencias De La Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica Del Litoral (ESPOL) Guayaquil – Ecuador Ecuador
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Resumen En esta práctica se tuvo como objetivo determinar la calidad de vapor que fue generado por la caldera del Laboratorio de Operaciones Unitarias. Además, Además, identificar las entalpias del liquido y vapor utilizando tablas bajo las condiciones de distintas presiones y temperaturas. Además, fue necesario elaborar el respectivo balance de energía para determinar el título de vapor a distintas presiones de trabajo y finalmente se compararon los l os resultados obtenidos de las gráficas que relacionan las variables de temperatura y tiempo. Palabras claves: Calidad, título de vapor, balance de energía, temperatura, tiempo, entalpias.
Abstract In this practice, we aimed to determine the quality of steam that was generated in the boiler of the Unitary Operations Laboratory. Laboratory. Also, identify the enthalpies of the liquid and vapor using t ables under the conditions of different pressures and temperatures. In addition, it was necessary to establish the respect of energy balance to determine the steam rating at different working pressures and finally the results of the graphs graphs that relate the variables of temperature temperature and time are are compared. Keywords: Quality, Keywords: Quality, steam titl e, energy balance, temperature, time, enthalpies. Introducción
Las investigaciones del agua y sus
Desde el inicio de los tiempos hasta la actualidad,
el
agua
ha
tenido
un
importante significado en la vida de los seres vivos, como en su supervivencia, en el área domestica y en el área industrial.
propiedades
se
hicieron
necesarias
durante la época de la revolución industrial al implementar las máquinas de vapor, por tanto, se desarrolló el concepto
de
calidad
haciendo
a
referencia a la cantidad de vapor de agua que se utilizaba como fluido de trabajo.
Al utilizar el término pureza en el agua o para cualquier otro compuesto, no se hace referencia a que tenga en su composición química únicamente un solo elemento. Es decir, la mezcla de otros elementos también pueden ser una sustancia pura. Por tanto, al hablar de una sustancia pura, se hace referencia a que la composición de uno o varios elementos sea homogénea, es decir, se
Figura 1. Diagrama T-v para el proceso
encuentre totalmente en una única fase
de calentamiento del agua a presión
sea esta sólido, líquido, gaseoso o
constante.
plasmática.
En la figura 1, se puede observar cuando los
el agua se vuelve una mezcla y es en esta
diferentes cambios de fase por los que
porción donde se define la calidad. Por
pasa el agua, desde sólido a líquido,
tanto, para una mezcla de líquido-vapor
líquido a gaseoso. Entre el proceso de
se busca hallar el título o calidad de
cambio de fase, se puede encontrar la
vapor para garantizar la eficiencia del
sustancia como líquido comprimido a
fluido de trabajo en una máquina. De esta
1atm y 20°C, luego cuando alcanza
manera se muestra la siguiente expresión
100°C aún el agua permanece líquida,
para obtener la calidad del vapor.
De
esta
manera
se
muestran
pero está apunto de evaporarse, por tanto, se lo denomina líquido saturado. Una vez que todo el líquido se ha evaporado, se conoce como vapor
Ecuación 1. Expresión de la calidad de
saturado. Luego, cuando se aumenta la
vapor de una sustancia.
temperatura del vapor se denomina vapor sobresaturado. En la siguiente figura se puede observar los cambios de fase.
Sin embargo, al analizar la calidad de vapor para diferentes presiones, se debe tener en cuenta la entalpía de la sustancia a determinada presión y temperatura, además de su masa inicial y final. Por tanto, la siguiente ecuación permite
obtener la calidad del vapor a distintas
que se encuentre sumergida por lo menos
presiones.
a 5cm la línea de vapor. Se abre la línea de vapor desde el distribuidor y consecuente a esto, se abre la válvula de entrada de vapor al intercambiador de calor.
Ecuación 2. Expresión para determinar la calidad de vapor a distintas presiones.
Se toman los respectivos datos de temperatura cada 10 segundos hasta que
Los datos de entalpía se los puede obtener por medio de las tablas que relacionan la presión y temperatura del
la
temperatura
sea
90°C,
instantáneamente se debe cerrar la válvula de entrada de vapor.
agua para poder obtener la calidad del vapor.
Finalmente se pesa el condensado.
Equipos e Instrumentación
Se debe repetir el procedimiento con los valores de presión de 5, 10, 15, 20 psi.
El equipo que se utilizó para realizar la práctica fue la caldera del Laboratorio de
Resultados
Operaciones Unitarias para determinar la
Los datos obtenidos durante la practica
calidad del vapor de agua. También se
se encuentran en la sección de anexos,
utilizó el debido equipo de seguridad
donde se podrá encontrar con los
como mandil y gafas de seguridad,
promedios de temperatura
baldes para recolectar el agua y un
respectiva presión y a determinados
cronómetro.
tiempos. Además, se muestran los
Procedimiento experimental
cálculos que se utilizaron para obtener la
para
su
calidad del vapor en la caldera. Otro de Se verifica que no exista condensado en la caldera realizando la purga en la línea de vapor. Con la respectiva ayuda, se procede a pesar en la balanza 16 litros de agua y se
los resultados que se encuentran en la sección de anexos, son las graficas que relacionan la temperatura y el tiempo para 5, 10, 15 y 20 psi.
Análisis de Resultados
los agrega al intercambiador de calor con serpentín. Previo a esto, se verifica que
Con los resultados de la temperatura a las
la llave de salida de agua esté cerrada y
presiones de 5, 10, 15 y 20 psi, se pudo obtener la calidad del vapor para las
respectivas presiones. Por tanto, se
se encuentran en la sección de anexos al
puede observar que conforme aumenta la
final del documento.
presión, la temperatura tarda menos en llegar a los 90°C. Además, se puede observar que, la entalpía del líquido aumenta a medida que la presión aumenta.
Se recomienda que, antes de comenzar el proceso, se verifique que no exista condensado en la línea realizando la respectiva purga. Esto impedirá que se obtengan datos erróneos.
En el procedimiento de obtención de la calidad del vapor se pudo observar que, esta disminuye conforme la presión
Referencias Bibliográficas
aumenta. Esto se debe a que, la entalpía
Alvaro Lamo, I. L. (2015, Marzo).
del liquido aumenta, es decir, la energía
Mandelbrot.
que se requiere por cada Kg de agua para
http://mandelbrot.fais.upm.es/html/Labo
que sea vapor saturado.
ratorios/Termodinamica/Informes_2012
Conclusiones y Recomendaciones
/cur
Retrieved
from
so_2012-
13/corregidos_P1/PR%C3%81CTICA% Se pudo comprobar que la calidad de
201.pdf
vapor de agua es buena, dando como resultados 0.81, por tanto, se concluye
Diego Mateo, J. R. (2012, Septiembre
que existe poco condensado al realizar el
21).
proceso de cambio de fase.
http://mandelbrot.fais.upm.es/html/Labo
mandelbrot.
Retrieved
from
ratorios/Termodinamica/Informes_2012 También, se puede concluir que a medida que la presión aumenta, el agua se tarde menos en llegar a 90°C debido a
/cur
so_2012-
13/buenos/Pr%C3%A1ctica%201%20V _17_S1_M2.pdf
que la sustancia requiere menos calor para llegar al punto de ebullición. Esto es
Yunus A. Cengel, M. A. (2012).
comprobable al observar las gráficas que
Termodinamica
Septima
Edicion.
Mexico: McGraw-Hill; pags. 112-114; 907- 997
Anexos Parte A Tiempo (s) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430
Promedio 5 Psi T°C 26 26.3333333 26.3333333 26.6666667 27.6666667 28.6666667 30.6666667 32.3333333 35.3333333 38.6666667 41.6666667 44.3333333 47.3333333 49.6666667 52 54 56 58 60.3333333 61.6666667 64 65.6666667 67 68.6666667 70.3333333 71.6666667 73.3333333 74.3333333 76 77.3333333 78.3333333 80 81 82.3333333 83.6666667 81.5 83.5 84 86 83 84 85 86
Promedio 10 Psi T°C 26.6666667 27 27.3333333 28 30 33.3333333 37 41 44 47.6666667 51 53.6666667 56.3333333 59 61.3333333 63.3333333 65.6666667 68.3333333 69.6666667 71 73 74.6666667 76.3333333 78 79.6666667 81.3333333 83 85.3333333 87.3333333 84 85 87 90
Promedio 15 Psi T°C 27.25 27.25 27.75 30.25 33.5 38.25 42.5 46.75 51 54.5 58.25 61 63.75 67 69.25 71 73.25 75.25 77.75 80.5 83.25 88.25 90
Promedio 20 Psi T°C 28 28.3333333 28.3333333 30.6666667 34.6666667 39.6666667 45 50 54 58.3333333 62.6666667 65 68 70.6666667 73.3333333 75.6666667 82 87.3333333 90
440 450 460 Masa inicial (Kg) Masa final (Kg)
88 89 90 20.0266667
20.02
20.085
20.0233333
22.9433333
22.9033333
22.9325
22.9166667
Tabla 1. Valores Promedio de Operación
Intervalo [°C] Presión [Psi] Cp [KJ/KgK] [ / ] 28 90 5 4.186 1000 27 90 10 4.186 1000 28.5 90 15 4.186 1000 28.5 - 90 20 4.186 1000 Tabla 2. Propiedades Termofísicas del agua a temperatura promedio de Operación. –
–
–
Presión [Psi] Hf [KJ/Kg] Hg [KJ/Kg] Hfg [KJ/Kg] 5 302.79 2584.5 2282.5 10 375.07 2658.78 2283.71 15 421.49 2678.48 2254.99 20 456.52 2684.67 2228.15 Tabla 3. Propiedades Termodinámicas del Vapor a Distintas presiones
Parte B Cálculos: (
)( + 2) = (2 1) −
−
Donde:
= = = í í = í ó 2 = í í 90° 1 = í 2 =
−
1 = 1 = 4.186 KJ/Kg °C = 1 BTU/lbm °F •
5 Psi
20.03(4.186 ° )90−26.67° − 375.07 +377.04 22.90−20.02 = 2283.71 = 0.84 Y así con los demás valores se obtiene lo siguiente: Presión [Psi] 5 10 15 20
Calidad 0.84 0.81 0.80 0.77 0.81
̅
Tabla 4. Resultados Obtenidos
Parte C Gráfica de temperatura vs tiempo para distintas presiones.
Temperatura vs Tiempo 5 Psi 500
400
O300 P M E I 200 T 100
0 0
20
40
60
80
TEMPERATURA
Figura 2. Gráfico de Temperatura vs Tiempo a 5 PSI
100
Temperatura vs Tiempo 10 Psi 350 300 250
O200 P M E I 150 T 100 50 0 0
20
40
60
80
100
TEMPERATURA
Figura 3. Gráfico de Temperatura vs Tiempo a 10 PSI
Temperatura vs Tiempo 15 Psi 250
200
O150 P M E I 100 T 50
0 0
20
40
60
80
TEMPERATURA
Figura 4. Gráfico de Temperatura vs Tiempo a 15 PSI
100
Temperatura vs Tiempo 20 Psi 200 180 160 140
O120 P M100 E I 80 T 60 40 20 0 0
20
40
60
80
TEMPERATURA
Figura 5. Gráfico de Temperatura vs Tiempo a 20 PSI
100
