2. Índice Pág.
Resumen de la experiencia 4 Objeto de la experiencia ..4 Características técnicas de los equipos e instrumentos emple ados. 5 Descripción del método seguido...11 Presentación de los resultados...12 Discusión de los resultados, conclusiones y observaciones personales...13 Apéndice. A) Teoría del experimento..15 B) Desarrollo de los cálculos18 cálculos18 C) Tablas de valores obtenidos y calculados.27 D) Bibliografía.30
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e xperiencia 3. Resumen De la experiencia
El presente informe comprende el desarrollo de la experiencia de titulo de vapor, donde a través de dos métodos se determina la calidad de vapor de una mezcla, estos son con el calorímetro de mezcla y por el calorímetro de Ellison, donde donde se obtienen de forma experimental temperaturas finales, masas y presiones , y a partir de estos valores se ingresa a tabla termodinámica para obtener datos faltantes, en que teniendo estos valores y aplicando aplicando la primera ley de la termodinámica es posible encontrar el titulo.
4. Objeto de la experiencia
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.
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 dos tecnologías existentes en la determinación de la calidad de vapor, esto es, para un calorímetro de mezcla y de Ellison. c) Evaluará los errores asociados a cada metodología utilizada en la deter minación del título de vapor.
3 5.
Características técnicas de los equipos e instrumentos empleados
Caldera Generadora de vapor
Marca: SERVIMET INGENIERIA TERMICA LIMITADA PALNTAS TERMICAS
Modelo Superficie de calefacción Presión máxima Nº de fabrica Año de fabricación Nº del registro del S.N.S
MIX 300 V-P-C 998 2002 2032
Quemador RL38 Riello Burners
tipo 653 T1 D22D Combustible de uso Petróleo Capacidad (GPH) Combustión del voltaje motor HP Amperaje Niveles de ruido dBa Max. Cámara de presión
Nº de serie 0204000782 2 Fuel max. Visc. 20°C 6 6mm (1.5°E) 4.0 16.0 230 - 460 - 575/3/60 3/4 5.2 / 3.2 / 1.6 / 1.3 75 1.6
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Calorímetro de mezcla
Se cree que fue diseñado en la época de la EAO, dada la antigüedad de este Se encuentra cubierto por un aislante, se presume que este sea de corcho Posee una tapa adiabática con tres orificios, en que el más grande es para depositar el vapor, el otro es introducir un instrumento en este caso el termopar, y el otro restante es para colocar el revolvedor. Esta hecho en su superficie de bronce
Balanza digital de 0 a 30 Kg
Características Objetivo peso comprobar la función visual con HI, LO, señal del IR Instalación de iluminación de fondo Auto calibración El modo de suspensión de ahorro de batería Advertencia de batería baja Precisión
30.000 división
Capacidad
3Kg
6Kg
30Kg
Resolución
0.1g
0.2g
1g
Display
Display 25,4 mm Pantalla LCD
Recipiente de tamaño
260 mm × 200 mm
Medio Ambiente
inferior a 80% HR
Fuente de alimentación
Adaptador de CA 9V / 500 mA
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Barómetro de Torricelli
Marca: E. Schiltknecht Ing. SIA Zúrich Procedencia: Suiza. Rango de precisión: 525 mm Hg 825 mm Hg Resolución: 0.1 mm Hg Error del instrumento: 0.06 mm Hg
Termómetro de dilatación de Mercurio
Marca: E. Schiltknecht Ing. SIA Zúrich. Procedencia: Suiza. Rango de precisión: -15°C 55°C. Resolución: 1°C. Error del instrumento: 0.5ºC
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Termómetro
Especificaciones Termómetro digital. Marca: Fluke. Modelo: 52 serie II. Lectura en °C, °K, °F.
Especificaciones ambientales
Temperatura de funcionamiento
-10 a 50 °C (14 a 122 °F)
Temperatura de almacenamiento
-40 a 60 °C (-40 a 140 °F)
Humedad
Sin condensación <10 °C (<50 °F) 95% HR: 10 a 30 °C (50 a 86 °F ) 75% HR: 30 a 40 °C (86 a 104 °F) 45% HR: 40 a 50 °C (104 a 122 °F)
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Especificaciones Técnicas
Rango de medición
Tipo J: -210 a +1200 °C (346 a + 2192 °F) Tipo K: 200 a +1372 °C (328 a +2501 °F) Tipo T: 250 a +400 °C (418 a +752 °F) Tipo E: 150 a +1000 °C (238 a +1832 °F)
Resolución de la pantalla
0,1 °C / °F / K < 1000° 1,0 °C / °F / K 1000°
Exactitud de la medición
Tipos J, K, T, E: }[0,05 % de la lectura + 0,3 °C (0,5 °F)] (Por debajo de -100 (-148 °F): agregue 0,15 % de la lectura para los Tipos J, K, y E; y 0,45 % de la lectura para el tipo T).
Coeficiente de temperatura
0,01 % de la lectura + 0,03 °C por °C (0,05 °F por °F) para temperaturas fuera del rango especificado de +18 °C a 28 °C (de +64 °F a 82 °F) (Por debajo de -100 °C (-148 °F): agregue 0,04 % de la lectura para los Tipos J, K, y E; y 0,08 % de la lectura para el tipo T). 1 V (diferencia de tensión máxima entre T1 y T2).
Tensión diferencial máxima de modo común Compatibilidad electromagnética
Susceptibilidad: ±2 °C (±3,6 °F) de 80 MHz a 200 MHz en un campo de 1,5 V/m, de 200 MHz a 1000 MHz en un Campo de 3 V/m. Emisiones: Límites comerciales según EN50081-1. ITS-90
Escala de temperatura Normas NIST-175 aplicables La exactitud se especifica para temperaturas ambientales entre 18 °C (64 °F) y 28 C (82 °F) para un periodo de un año. Las especificaciones anteriores no incluyen el error del termopar.
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Especificaciones generales
Peso: 280 g (10oz). Dimensiones: 2,8 cm × 7,8 cm × 16,2 cm (1,1 pulg. × 3 pulg. × 6,4 pulg.) Batería: 3 baterías AA.
Sonda de inmersión
Marca: Fluke. Modelo: 80PK-22 Termopar de tipo K para uso en líquidos y gel es Rango de medida: -40 a 1090°C
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Descripción del método seguido
Al comienzo de la experiencia el profesor explica que es y como determinar el titulo de vapor de una mezcla además de las ecuaciones involucradas para su obtención, luego da a conocer el funcionamiento y características de los equipos que serán usados en la experiencia como el calorímetro de mezcla.
Posteriormente se procede a realizar el desarrollo de la experiencia, donde primero se busca determinar el titulo de vapor utilizando el calorímetro de mezcla, para esto primero se masa a través de la balanza el calorímetro vacio, de modo de conocer la masa de este, luego se deposita en su interior el agua dejándolo hasta el nivel del anillo de color negro, donde en el espacio restante será ocupado por el vapor salido de la caldera, una vez vaciada el agua se masa el calorímetro nuevamente cuya masa es la del calorímetro mas la del agua , además se mide la temperatura del agua, luego de esto se deja el calorímetro de mezcla debajo de la salida del vapor procedente de la caldera para que este entre al calorímetro y se deja hasta que la temperatura de la mezcla liquido-vapor alcance la temperatura de 61 °C, donde se introduce la sonda de inmersión del termómetro por uno de los orificios del calorímetro , además esta mezcla debe ser r evuelta con al agitador cada cierto tiempo para obtener una m ezcla homogénea, una vez que la mezcla alcanza los 61 °C se cierra la llave que entrega el vapor y se retira el calorímetro lentamente de modo que no salpique mezcla del contenido hacia afuera , luego se vuelve a masar el calorímetro en la balanza ahora con la mezcla de líquido -vapor
El segundo método para obtener el titulo de vapor, realizado en la experiencia fue a través del calorímetro de Ellison o de expansión el que es un ducto que sale de la caldera donde la salida del vapor esta regulada a través una válvula de e xpansión, donde este consistió en abrir la válvula de paso y medir a través del termómetro poniendo la termocupla en contacto con el vapor que sale del ducto, cuando dicho vapor sobrepase levemente los 100°C , donde este vapor al salir tiene una presión atmosférica , lo que hace que este vapor se vuelva sobrecalentado, en que teniendo la temperatura de salida y la presión de trabajo es posible determinar el titulo de vapor a través de tabla. Además en el transcurso de la experiencia se fue a medir la temperatura ambiente y presión barométrica en el departamento de mecánica, puesto que en el laboratorio de climatización no se encontraban los instrumentos para conocer dichos valores.
10 7.
Presentación de los resultados
Presión barométrica corregida
P barométrica corregida=716.033 mm hg En MPa:
P barométrica = 0.095462 MPa
Titulo de vapor en el calorímetro de mezcla
O en forma porcentual un 89.2%
Titulo de vapor en el calorímetro de Ellison
O en forma porcentual un 95.68%
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8. Discusión de los resultados, conclusiones, y observaciones personales
En el desarrollo de la experiencia fue posible observar que la calidad de vapor que se tiene en una mezcla depende de diversos factores como: uso de los instrumentos, errores de estos, procedimiento en que se desarrollaron los métodos, eficiencia de los equipos, estados de estos, donde serán analizados a continuación.
Por ejemplo si comparamos el valor del titulo de vapor obtenido con el calorímetro de mezcla frente al calorímetro de Ellison es posible notar a través de los resultados obtenidos que la calidad de vapor en el calorímetro de Ellison es mayor a la que se tiene en el de mezcla esto se puede deber a varios factores entre ellos por ejemplo: en el de mezcla se supuso que este poseía una aislación adiabática, la que supuestamente era de un recubrimiento de corcho, pero y con esto en la realidad es poco probable que este sea completamente aislante impida la transferencia de calor con medio, además el tiempo que tarda en desarrollarse el método es bastante largo, puesto que se debe esperar que la mezcla alcance los 61 °C, y como sabemos el tiempo es un factor que favorece la transferencia de calor. Otro factor presente es como se vio, para obtener la temperatura de salida del calorímetro de Ellison fue bastante directo , puesto que era tan solo colocar la sonda de inmersión en el vapor, donde con esta temperatura la presión barométrica era posible conocer el titulo, mientras que para determinar el titulo con el calorímetro de mezcla había que realizar una serie de mediciones , entre ellas se debía conocer las del agua del calorímetro, del vapor ,además de las temperaturas, donde todas estas mediciones generan mayor incertidumbre dad la cantidad de variables a medir, puesto que cada uno de l os instrumentos posee cierto grado de error , adem ás del error humano asociado por ejemplo al momento en que se debía sacar el calorímetro esto debía realizarse con sumo cuidado de tal forma que no salpicara nada, sin embargo pese al cuidado que se tuvo, hubo un pequeño derrame de la mezcla , donde este por mas pequeño que sea genera cierta incertidumbre en nuestros cálculos. Además la tecnología presente en el calorímetro de Ellison es considerablemente más alta que la provista por el calorímetro de mezcla, lo que se traduce en una mejor calidad de vapor.
Acerca de la caldera fue posible notar que como se supone en teoría la función de esta es entregar vapor saturado seco, o sea, c on un titulo de 1, pero como vim os en la salida de la válvula para el calorímetro de Ellison eso no se cumplió, ya que por muy buena que sea esta, nunca su rendimiento será del 100%, aunque si a un valor cercano basándose en los resultados obtenidos.
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Con respecto a los resultados obtenidos, se tiene que en el caso de la presión barométrica y la temperatura ambiente, como estas fueron medidas en el departamento de mecánica, no se puede asegurar que esta ultima sea la misma que se tenia en el laboratorio de climatización específicamente en el lugar que se realizo la experiencia, lo que afecta directamente en el calculo de la corrección de la presión por temperatura.
A modo de conclusión podemos decir que nunca se obtendrá un titulo o calidad de vapor del 100%, puesto que eso es prácticamente imposible debido a los factores analizados anteriormente, pero si podemos tener una buena aproximación a dicho valor, donde el que mas se acerca a este en este caso es el calorímetro de Ellison dada las ventajas que presenta por sobre el calorímetro de mezcla.
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9. Apéndice
9 a) Teoría del experimento
El título de vapor es el porcentaje en masa de vapor en una mezcla líquido -vapor y suele denotarse con la letra x :
El valor de x varía desde 0 (líquido saturado) hasta 1 (vapor saturado). Para valores del título cercanos a 1 se tiene una masa de líquido pequeña en forma de gotitas en suspensión. Para valores inferiores el líquido se deposita sobre el fondo del re cipiente por efecto de la gravedad. La coexistencia de líquido y vapor se indica normalmente con el término vapor húmedo o mezcla de vapor saturado.
E ntalpía
La entalpía (simbolizada generalmente como "H", también llamada contenido de calor, y calculada en julios en el sistema internacional de unidades o también en kcal o, si no, dentro del sistema anglo: "BTU"), es una función de estado, (lo que quiere decir 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 y su 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 (H) es la suma de la energía interna (U), energía que posee una sustancia debida al movimiento y posición de sus partículas a nivel atómico, y la energía mecánica asociada a la presión (p).
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E nergía interna
La energía interna de un sistema, es el resultado de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de su energía de rotación y vibración, además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear, que constituyen conjuntamente las interacciones fundamentales. Convencionalmente, cuando se produce una variación de la energía interna si n que se modifique la composición química del sistema, se habla de variación de la energía interna sensible. Si se produce alteración de la estructura atómica-molecular, como es el caso de las reacciones químicas, se habla de variación de la energía interna química
Calorímetro de E llison
El principio de funcionamiento de este calorímetro, que se muestra en la figura, corresponde al de una expansión adiabática ocurrida, o que se registra, cuando el vapor sale de la válvula hacia la cámara de expansión. En particular, el vapor que se encuentra en una condición de mezcla húmeda y del cual se desconoce la calidad, es suscepti ble de ser sobrecalentado por medio de una expansión a presión atmosférica.
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Calorímetro de mezcla
El calorímetro de mezcla que es representado en la figura, permite contener en su interior una determinada cantidad de agua en estado líquido, la cual al estar a temperatura ambiente, actúa como medio condensante del vapor que es introducido al calorímetro y sobre el cual se desea conocer su título. La medición de propiedades tales como temperatura, masa y presión antes de la mezcla así como una vez alcanzado el equilibrio entre el vapor y el agua, permiten a través de un balance energético, determinar la calidad del vapor introducido.
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9 b) Desarrollo de los cálculos
b.1) Cálculo de presión atmosférica corregida
Para el cálculo de la presión atmosférica debemos corregir dicho valor puesto que no nos encontramos en las condiciones ideales de trabajo, entonces para esto se aplican las siguientes correcciones, dada por la siguiente ecuación: Patm. Corregida= Donde: CT: Corrección por temperatura Ch: Corrección por altura L: Corrección por latitud E.I: Error del instrumento Entonces se procede a determinar cada una de las correcciones que se necesitan.
Corrección por temperat ura
Para esto se debe encontrar a una presión de 719.6 mm hg, donde la forma es mediante interpolación simple, donde resulta:
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Corrección por latit ud
Para esto se requiere realizar interpolación doble, teniendo en cuenta que Santiago se encuentra situado a 33° de latitud sur, luego resulta:
Latitud 30 33 35
Alturas barométricas en mm. Reducidas a 0 °C 700 719.6 0,9 x 0,6
720 0,9 0,6
Corrección por alt ura
Para determinarla se realiza interpolación doble, donde resulta:
Altitud 500 527 1000
Alturas barométricas en mm. Reducidas a 0 °C 700 719,6 0,1 x 0,1
800 0,1 0,0
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Luego la presión corregida resulta: Patm. Corregida=
Reemplazando:
Patm. Corregida=
Patm. Corregida=716.033 mm hg
La cual en resulta:
Como nosotros necesitamos determinar la presión absoluta, entonces se procede a calcular esta, donde: P absoluta =P manométrica +P atmosférica corregida P absoluta =
Pero para ingresar a la tabla termodinámica esta presión debe estar en MPa, entonces se realiza la siguiente conversión:
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b.2) Cálculo del titulo de vapor en el calorímetro de mezcla
Para determinar el titulo se tienen las siguientes ecuaciones:
(1), o bien
(2)
Utilizando la segunda se tiene necesitamos conocer hv, hf , hfg, donde es posible obtenerlas a través de las tablas termodinámicas Luego entrando a la tabla por presión, en este caso la presión absoluta determinada anteriormente de P abs=0.78168 MPa, pero como esta no se encuentra de forma directa se debe interpolar, donde los resultados obtenidos se presentan en la siguiente tabla:
P MPa 0.6 0.78168 0.8
hf KJ/Kg 670.1
hfg KJ/Kg 2086.30
716.06
2051.50
720.70
2048.0
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Entonces ya tenemos hf y hfg, nos quedaría hv, donde para determinar su valor se emplea la siguiente ecuación:
Para esto se requiere de las masas y las energías específicas, donde las masas fueron medidas en el desarrollo de la experiencia, con respecto a las energías estas se calcularan a continuación mediante la siguiente ecuación:
Luego para determinar la Psat , hf y vf del agua y de la mezcla de vapor+ agua a las temperaturas que se encontraban, se entra a la tabla, pero como estos valores no se encuentran en forma directa se debe interpolar , donde los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla:
295 295.36 300
0.002620 0.002685 0.003536
330 334.66 335
0.001721 0.002140 0.002171
0.001002 0.001002 0.001004
0.001015 0.001017 0.001018
90.7 92.21 111.7
238.40 257.97 259.40
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Entonces las energías específicas resultan:
Ahora como ya conocemos el valor de las masas y de las energías especificas es posible calcular el valor de hv, donde resulta:
Finalmente, como ya se conocen hv, hf y hfg, es posible determinar el titulo, que resulta:
Por lo tanto la calidad de vapor de la mezcla es del 89.2 %
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b.3) Cálculo del titulo de vapor en el calorímetro de Ellison
Para su obtención se hace de forma similar que para el calorímetro de mezcla, donde la ecuación utilizada será:
Donde hf y hfg ya fueron calculadas anteriormente, solo falta conocer el valor de h v, pero como la temperatura que se deseaba medir debía se r mayor que la temperatura de saturación , e ntonces esto quiere decir que se encuentra en condición de vapor sobrecalentado , para obtener la entalpia a la temperatura del vapor= y la presión atmosférica debemos usar extrapolación Donde las ecuaciones tienen la forma T= hv·a + b En que T = temperatura [K] h = Entalpía [kJ/kg] a y b constantes a determinar. Además: Temperatura vapor: 101ºC =374.16 K P barométrica = 0.095462 MPa
Luego a la presión de 0.07 MPa las temperaturas son:
400 = 2732.7 a + b 450 = 2830.8 a + b
Resolviendo el sistema, los coeficientes a y b resultan: a = 0.509683 b = -992.8134
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Luego a Temperatura 374.16ºK
374.16 = (x) 0.509683 - 992.8134 x = 2682.007KJ/Kg
A Presión 0.101325 MPa
400 = 2729.7 a + b 450 = 2829 a + b
a = 0.50352 b = -974.47129
A la Temperatura de 375.46 °K
374.16 = (x) 0.50352 - 974.47129 x =2678.406 KJ/Kg
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Ahora que ya se conocen los valores de las entalpias a las presiones y temperaturas deseadas, mediante interpolación de determina el valor de la entalpia hv, donde los resultados se muestran en la siguiente tabla:
Presión MPa 0.07 0.095462 0.101325
374.16 2682.007 x 2678.406
Temperatura °K 400 2732.7
450 2830
2729.7
2829
X=hv= 2679.079 KJ/Kg
Entonces como ya se conocen todos los valores es posible determinar el titulo, en que resulta:
Por lo tanto un 95.68% de vapor contenía el calorímetro de Ellison
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C) Tablas de valores obtenidos y calculados
Los datos para la corrección por temperatura fueron recogidos de la tabla que entrega la reducción de las alturas barométricas en condiciones a 0°C que se encuentra en el laboratorio.
Los datos referidos a la corrección por latitud, fueron e xtraídos de la siguiente tabla:
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Los datos referentes a la corrección por altitud fueron extraídos de la sig uiente tabla:
Datos obtenidos en el
laboratorio
Para el calorímetro de Mezcla:
Masa del calorímetro vacio= 11.708 Kg Masa del calorímetro +masa del agua= 21.706 Kg Masa del agua= 9.998 Kg Masa final de la mezcla= 10.722 Kg Masa del vapor= 0.724 Kg Temperatura inicial del agua °K= 273.16+22.2= 295.36 °K Temperatura de la mezcla °K= 273.16+61.5=334.36 °K
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Para el calorímetro de E llison:
Temperatura de salida para calorímetro de Ellison= 374.16 °K Presión de la caldera: 7
Presión y temperat ura medidas en el departamento de mecánica:
Temperatura ambiental= 23 °C Presión barométrica= 719.6 mm Hg
D) Bibliografía
Guía E94 Titulo de vapor
28
http://www.fluke.nl/comx/manuals.aspx?locale=CLes&pid=21454 http://www.masmar.net/esl/N%C3%A1utica/Manual-deNavegaci%C3%B3n/Meteorolog%C3%ADa-2/Las-lecturas-barom%C3%A9tricas-y-sus-correcciones http://www.meteored.com/ram/289/las-lecturas-barometricas-y-sus-correcciones/ http://translate.google.cl/translate?hl=es&sl=en&u=http://www.snowrex.com.tw/profile.htm&ei= I9feTIHDIoLGlQe8ocSZAw&sa=X&oi=translate&ct=result&resnum=2&ved=0CCkQ7gEwAQ&prev=/ search%3Fq%3DSnowrex%26hl%3Des%26biw%3D1024%26bih%3D553 http://www.riello-burners.com/2_products/2_oil-burners/2c_r-series-technical-data.asp http://enciclopedia.us.es/index.php/Energ%C3%ADa_interna http://es.wikipedia.org/wiki/Entalpía GOOGLE EARTH
