Laboratorio de Termodinámica I Calidad del Vapor en la Caldera Villegas Monar Jean Carlos Facultad de Ingeniería Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil-Ecuador
Resumen La práctica se enfocó en determinar la calidad de vapor de la caldera mediante un ciclo constituido de un intercambiador de calor y un calorímetro de estrangulamiento, con el fin de modificar la temperatura y presión del agua e incluso conocer el proceso y las propiedades termodinámicas en los dos estados (calorímetro y caldera). Por otro lado se empleó los fundamentos teóricos estudiados en el curso de termodinámica, proceso de una caldera y las característica (propiedades) de cada uno de los elemento que constituye, además se determinó la calidad del vapor mediante tres métodos, el primero se basa con el manejo de las tablas de vapor sobrecalentado sobreca lentado del agua, el segundo segun do con estados saturados y calor específico a presión constante constante y el último con diagrama de Mollier (curva (curva de entalpía vs entropía) Para determinar la calidad con cualquiera de los tres métodos es necesario conocer la temperatura y presión de los dos estados (estado 1: mezcla en la caldera y estado 2: vapor sobrecalentado en la salida del calorímetro de estrangulamiento), es importante esperar al tomar las mediciones hasta que el flujo se estabilice (flujo estacionario) y evitar errores, aparte de los errores introducidos por el estudiante (mala p osición al medir). Finalmente se determinó que los tres métodos convergen a un valor x=0.98%, resultado aceptable. Palabra clave: calorímetro, calidad de vapor, caldera, entalpía.
Abstract Steam quality in the boiler through a cycle consisting of a heat exchanger and a heat choke, in order to modify the temperature and pressure of the water or even to know the process and the thermodynamic properties in the two states (calorimeter was determined and boiler). On the other hand the theoretical foundations studied in the course of thermodynamics, process boilers and property (properties) of each element is also steam quality was determined by three methods was used, with the former is based management tables water superheated steam, the second with saturated states and specific heat at constant pressure and the last with the Mollier diagram (enthalpy curve vs entropy) To determine the quality with any of the three methods is necessary to know the temperature and pressure of the two states (state 1: Mix into the boiler and state 2: superheated steam at the outlet of the throttling calorimeter), it is important to wait to take the measurements until the flow (steady flow) to stabilize and prevent errors, apart from the errors introduced by the student (bad position to be measured). Finally it was determined that the three methods converge to a value x = 0.98%, acceptable results. Keyword: calorimeter, quality steam boiler enthalpy.
1. Introducción El punto principal que se enfocó la práctica es conocer la calidad de vapor del agua en la caldera utilizando un calorímetro de estrangulamiento con el fin de manipular los estados sin modificar una propiedad relevante (entalpía), para esto debe existir un proceso adiabático en el calorímetro, es decir se encuentra aislado sin existir transferencia de calor con el ambiente (despreciable), además no existe trabajo externo [1].
(1) Q= calor, W= trabajo y h=entalpia. Un punto muy importante es que no es una condición suficiente de que las dos entalpías sean iguales para afirmar que existe un proceso isoentálpico en el calorímetro ya que no es un proceso irreversible, en otras palabras el calorímetro solo expande vapor pero no comprime.[2] Entonces aprovechando que las entalpia es constante en los dos estados se puede determinar la calidad de vapor, donde el primer estado se encuentra en vapor vapor húmedo húmedo a una una cierta calidad y el segundo estado se encuentra en vapor sobrecalentado, primero se determina la entalpia del segundo estado (por ende la del primer estado) mediante tres técnicas diferentes, lo que llega a una expresión matemática que indica indica la calidad en función de la entalpía.
(2)
Para determinar la entalpía en la salida del calorímetro (segundo estado) se realiza cuatro mediciones de temperatura y presión (lo importante es el promedio) como vapor sobrecalentado y para la entrada del calorímetro (primer estado) se mide la temperatura y presión de la caldera.
Finalmente conociendo la ecuación que permite determinar la calidad y los datos necesarios se encuentra la calidad mediante tres métodos diferentes: El primero consiste en usar las tablas de supercalentado del agua en base a dos propiedades intensivas (presión y temperatura), ya que estas se obtuvieron en las mediciones. El segundo método se basa en manejar las tablas de saturación del agua y el calor específico, el procedimiento consiste en determinar la diferencia de entalpia a una curva de presión contante entre un estado de vapor saturado hasta el estado de vapor sobrecalentado. (3) Se conoce que el calor específico del agua es:
Se reemplaza el valor en la ecuación 3 dando:
( ) (4)
Es la entalpía de vapor de saturación a presión constante de la salida del calorímetro y (5) Donde es la temperatura de salida del calorímetro y es la temperatura de
saturación a la presión de salida del calorímetro. Por ultimo si se conoce la entalpía en el segundo estado, es fácil determinar la del primera estado (son la misma), aplicando la ecuación 2 se encuentra la calidad del vapor. El tercer método consiste en utilizar el diagrama de Mollier (entalpía vs entropía), es un método geométrico donde se debe halla la intersección de temperatura y presión, por ser geométrica va existir errores ilegítimos.
2. Equipos e instrumentación La práctica se llevó a cabo cab o en el Laboratorio el Laboratorio de Termo fluidos el día 07 de agosto del presente año.
Equipos
Instrumentos Tabla 1: datos técnicos de la caldera
Equipo Marca Serie Modelo Código Espol
Caldera de 10 Bar THOMPSON G-2326 MINIPAC 3 2971
Es importante conocer que para realizar los cálculos se debe convertir las unidades a inglesas es decir la presión a pisa y la temperatura en °F. A continuación se presentan los equipos: equipos:
Figura 3: barómetro
Determina la temperatura ambiente en °F.
3. Procedimiento experimental
Figura 1: caldera
Lugar donde el agua se encuentra en mezcla y es allí donde se requiere determinar la calidad del vapor, una característica importante es que mide temperatura en °F y presión en psi.
Primero se enciende la caldera y se espera hasta que el agua se encuentre en un estado de mezcla y además se estabilice con el fin de no tomar datos erróneo sino un promedio, entonces se procede a medir tanto la temperatura y presión del vapor en la caldera, después se abre la válvula de paso de línea que lleva vapor al calorímetro y también se abren las válvulas que controla el flujo de vapor hacia el calorímetro de estrangulamiento, de nuevo se espera hasta que se estabilice (equilibrio térmico) hasta alcanzar condiciones condiciones de flujo estacionario para tomar las medidas de presión y temperatura, luego se regula el flujo de vapor con la válvula y se toma otra vez las lecturas en el calorímetro, una condición importante para que los resultados sean confiables, el vapor deberá tener, por lo menos 10°C (5 0F) de supercalentamiento en el calorímetro.
4. Resultados Tabla de datos Tabla 2: temperatura y presión de la práctica Figura 2: calorímetro de estrangulamiento
Equipo que convierte el agua de un estado de mezcla a supercalentado, el calorímetro censa temperatura en °C o °F con una resolución de dos unidades y presión en unidades psig.
Temperatura ambiente 86°F 30°C Y se p
Presión 14.62 psia 756 mmHg
Tabla 3: temperatura y presión de la caldera
La
Presión(Bar) Presión(Psig) Presión(Psia) Temperatura(°C) Temperatura(°F)
Valor promedio de la entalpía
10 145.04 159.66 184.1 363.37
∑ ⁄ ] [
Son las condiciones para el estado 1 o estado de mezcla, es allí donde se determina la calidad.
Valor obtenido de la calidad en función de la entalpía promedio
Tabla 4: entalpía de la caldera
) Entalpía(
335.84
Entalpía(
Unidad
1195.48 Btu/lbm
Tabla 4: temperatura, presión y entalpía del calorímetro
Número de lectura 1 2 3
P(psig)
13.5 13 13.2
Número de lectura 1 2 3
P(psia)
28.12 27.12 27.82
(°F) 276.8 278.6 280.4
(°C) 136 137 138
T. saturación (°F) 246.44 245.41 245.82
Usando tablas de vapor saturado y calor específico
Para determinar la entalpía 2(ecuación 4) es necesario determinar la entalpía de vapor saturado y la temperatura de saturación a la presión del calorímetro con el fin de encontrar la (se utiliza la ecuación 5)
Número de lectura 1 2 3 Cálculo
Son las condiciones para el estado dos, estas son tomadas de la salida del calorímetro la cual se encuentra en vapor sobrecalentado por otro lado la entalpia se determina por uno de los los tres métodos y la calidad mediante la ecuación 2: Usando tablas de vapor sobrecalentado
h2(Btu/lbm) Calidad 1177.35 0.9798 1178.36 0.9810 1179.17 0.9809 Para encontrar la entalpía se lo realiza en función de la temperatura y presión en sobrecalentado. Cálculos
(°F) 30.36 33.19 34.58
1162.78 1162.43 1162.57
(4) Medición 1 ] [ Medición 2 ] [ Medición 3 ] [ Primero se encuentra la entalpía promedio y como se determina la calidad del vapor
∑ ] [ Valor obtenido de la calidad Por medio del diagrama de Mollier
Es un método de referencia no tan confiable porque depende de la visualización del estudiante en base a un diagrama.( ver anexo 1)
5. Análisis de los resultados Luego de realizar los cálculos respectivos mediante el uso de los dos métodos se obtuvo en tabla de sobrecalentado una calidad promedio de Por otro lado utilizando la tabla de saturación y calor específico a presión constante se obtuvo para tres mediciones una por lo tanto realizando los dos métodos, convergen a un mismo valor esto indica que los datos que tomamos y los cálculos realizados fueron correcto. Además existe fundamento a que nuestro resultado es correcto porque un calorímetro solo trabaja con calidad alta lo cual si justifica el resultado. Entonces se puede afirmar en base a los resultados que la calidad que pasa por medio de la tubería después de salir de la caldera es del de vapor y a la vez 2% de humedad, lo que quiere decir que la turbina se encuentra en un rango óptimo ya que si esta está por debajo del 98% el mantenimiento y deterioro de la turbina es más rápida. En la práctica al tomar medidas de temperatura ambiente o en el calorímetro se introdujo errores por parte del estudiante o también por la caída de presión en la tubería o mala calibración de los instrumentos dando errores sistemáticos a pesar de todo los resultados son aceptables y confiables.
6. Conclusiones y Recomendaciones En general se empleó una de la técnica más utilizadas para determinar la calidad de vapor en base a tres métodos, la cual permitió manejar y usar las tablas de sobrecalentado, estado saturado y diagrama de mollier, donde las tres convergieron a un mismo valor x=98%, indicando que existe una aceptable calidad para evitar algún deterioro del proceso, por otro lado se aprendió a manejar instrumentos de temperatura y presión. Entre los tres métodos el cálculo por medio de tablas de sobrecalentado y saturado poseen mejor aproximación ya que para diagrama de Mollier el error depende de la vista del estudiante para encontrar la intersección. Es recomendable que las tuberías este bien aislado para que no exista pérdida de calor, temperatura y presión para evitar errores, aparte de los errores ilegítimos que el estudiante induce por no medir en la posición correcta o equivocarse en la escala o unidad de los instrumentos, además de la calibración del mismo.
7. Referencia bibliográfica [1] ESPOL, Guía de Calidad del Vapor, I Término Año 2014 [2] YUNUS A. CENGEL, MICHAEL A. BOLES, Termodinámica, Mc. Graw Hill, cap. 3,4, 5, 6 Y 7. [3] ESPOL, Formato Reporte de Laboratorio de Mecánica de Fluidos.
otncia por pérdidas se puede determinar la eficiencia
8. Anexo Anexo1
DIAGRAMA DE MOLLIER
Diagrama que permite hallar calidad del vapor en función de la entalpía (intersección entre temperatura y presión)
