UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica SANTIAGO
TITULO DE LA EXPERIENCIA “Título de Vapor” EXPERIENCIA N°
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_Grupo N°
NOMBRE ASIGNATURA NOMBRE ASIGNATURA CARRERA_
Fecha de la Experiencia
Termodinámica
Ingeniería Ejecución en Climatización
NOMBRE DEL DEL AL ALUMNO_
Fecha de Entrega 13/12/1014
Saavedra Apellido Paterno
Ferreira
CODIGO Modalidad (Diur na na o Vesper tina tina)
Diurno
Fabiana Naryara
Apellido Materno
N ombr e
Firma del alumno Fecha de Recepción
ogación Nota de Interr ogación
Nombre del Profeso r Rodrigo Pizarro
Nota de Participación Nota de Informe Firma del Profesor
Nota Final
SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X Presentación Características Técnicas Descripción del Método seguido
OBSERVACIONES
Cálculos, resultados, gr áficos áficos Discusión, conclusiones Apéndice
Ingeniería de Ejecución en Climatización Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de Santiago de Chile Santiago – Chile
[email protected]
Santiago, 14 de Diciembre de 2014
Distinguido Señor: Rodrigo Pizarro
Referente al Laboratorio E94 – Título de Vapor Se realiza el montaje con una caldera, un calorímetro llenado con agua hasta un punto determinado, se mide temperatura y masa inicial y luego se procede a colocar el calorímetro a un costado de la caldera donde se encuentra la salida de vapor de esta. Se enciende la caldera y se miden datos (3 mediciones)
De acuerdo con los resultados, las 3 mediciones presentan títulos de vapor bastante similares, observando que en todos los casos la zona de mezcla se acerca más a la condición de líquido que de vapor, por lo tanto se emplean correctamente las leyes termodinámicas y se obtienen valores concordantes
Sin más, respetuosamente,
Fabiana Saavedra Ing. de Ejecución en Climatización ( estud.)
LISTA DE FIGURAS Figura A1 Termómetro digital..………….. ..................................................................................10 Figura A2 Balanza digital……………..….... ................................................................................10 Figura A3 Caldera ANWO............................................................................................................11
LISTA DE TABLAS Tabla 1: Datos experimentales de masa temperatura y presión..……………...............................9 Tabla 2: Cálculos de masa y título……………………………………………………………….9 Ta bla 3: Cálculos desviación estándar y r……………………………………………………......12 Tabla 4: Cálculos finales........................................................................................................13 Tabla 2: Cálculos incertidumbre para las 3 mediciones………………………………………….13
ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN......................................................................................................................6 1.1TÍTULO DE VAPOR..............................................................................................................6 1.2 ENTALPÍA…................................................................................................................. .. ....7 1.3 CALORÍMETRO...................................................................................................................7 1.3 OBJETIVOS...........................................................................................................................7
2. EXPERIMENTOS .....................................................................................................................8 2.1 APARATO EXPERIMENTAL .............................................................................................8 2.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL...............................................................................8
3. RESULTADOS ..........................................................................................................................9 3.1 DATOS EXPERIMENTALES.................................................................................... .. .. ...9 3.2 CALCULOS REALIZADOS………… ............................................................................9
4. CONCLUSIONES ....................................................................................................................10 APÉNDICE A ................................................................................................................................10 APÉNDICE B.................................................................................................................................11
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TITULO DE VAPOR En este informe se expone la experiencia de título de vapor, en el cual estudiaremos la calidad o título del vapor proveniente de una caldera, para esto utilizaremos un calorímetro de mezcla, el cual tendrá agua en su interior, la cual se mezclara con el vapor proveniente de la caldera, se aplicaran los principios termodinámicos correspondientes y con ecuaciones matemáticas se obtendrá el porcentaje experimental del vapor en una mezcla liquido-vapor, se determinara que tipo de vapor es y se hará un análisis respectivo.
1. INTRODUCCIÓN Agua en estado gaseoso, que se emplea para generar energía y en muchos procesos industriales. Esto hace que las técnicas de generación y uso del vapor de agua sean componentes importantes de la energía tecnológica. La producción de electricidad depende en gran medida de la generación del vapor, para lo que el calor puede provenir de la combustión de carbón o gas. El vapor de agua también se sigue usando mucho para la calefacción de edificios y sirve para propulsar a la mayoría de los barcos comerciales del mundo. El vapor de agua puro es un gas invisible. Con frecuencia, no obstante, cuando el agua hierve, el calor 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 formando las familiares nubes blancas que se ven cuando hierbe comida. 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 le denomina vapor saturado. Si se calienta el vapor por encima de esta temperatura se produce el llamado vapor sobrecalentado. El sobrecalentamiento también se produce cuando se comprime el vapor saturado o se estrangula haciéndolo pasar por una válvula situada entre un recipiente de alta presión a 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. 1.1 TITULO DE VAPOR 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 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 recipiente por efecto de la gravedad. La coexistencia de líquido y vapor se indica normalmente con el término vapor húmedo o mezcla de vapor saturado
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1.2 ENTALPÍA Cantidad de energía de un sistema termodinámico que éste puede intercambiar con su entorno. Por ejemplo, en una reacción química a presión constante, el cambio de entalpía del sistema es el calor absorbido o desprendido en la reacción, En un cambio de fase, por ejemplo de líquido a gas, el cambio de entalpía del sistema es el calor latente, en este caso el de vaporización. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema de presión constante. El término de entalpía fue acuñado por el físico alemán Rudolf I.E. Clausius en 1850. Matemáticamente la entalpía H es igual a U + pV, donde U es la energía interna, p es la presión y V es el volumen.
1.3 CALORÍMETRO Instrumento que mide la calorimetría. El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr un equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. 1.4 OBJETIVOS
El objetivo general de la experiencia es 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 con un calorímetro de mezcla, de Ellison o de sobrecalentamiento. Para concretizar los objetivos anteriormente definidos, las siguientes metas debieron ser cumplidas en el transcurso de la experiencia: 1. Ser capaz de identificar y las variables fundamentales que afectan la medición de la calidad de vapor. 2. Representar Poder verificar el comportamiento de tres tecnologías existentes en la calidad de vapor, esto es, para un calorímetro de mezcla, de expansión o de sobrecalentamiento. 3. Evaluar los errores asociados a cada metodología en la determinación del título de vapor.
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2. EXPERIMENTOS Las calderas de vapor son instalaciones industriales las cuales funcionan mediante la aplicación de un combustible sólido, líquido o gaseoso; su principal objetivo es vaporizar el agua para poder así obtener diferentes aplicaciones. Estos artefactos fueron utilizados hasta el siglo XIX como medios para teñir ropa y producir vapor para limpieza, hasta que un hombre conocido como Papin inventó una caldera de pequeñas dimensiones llamada “marmita”; con ella se trató de reemplazar los modelos anteriores pero el intento fracasó. La caldera de vapor más elemental fue diseñada, como mencionamos previamente, por Dionisio Papin en 1769 pero quien la desarrolló fue James Watt en 17776; estas calderas eran utilizadas para accionar bombas de agua, tenía una forma cilíndrica vertical y eran de una larga vida útil; fueron éstas las responsables de la revolución industrial la cual comenzó en dicho siglo. Dentro de los diferentes tipos de calderas de vapor podemos encontrar divisiones numerosas: están las calderas a tracción las cuales se utilizan en los trenes de pasajeros; contamos con las calderas multi-humotubular que cuenta con tubos amovibles y está destinada a quemar carbón; etc. A seguir, se describe en detalle el aparato experimental utilizado en la presente experiencia de laboratorio. 2.1 APARATO EXPERIMENTAL
Para realizar el experimento se utiliza un calorímetro de mezcla que contiene masa de agua y vapor en su interior. Inicialmente se masa el calorímetro solo con agua, pero una vez instalado a un lado de la caldera, esta le proporciona vapor y se mezclan para el posterior análisis del título. 2.2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Después de analizar cada uno de los componentes del sistema se procede a realizar los siguientes pasos: (a) Introducción Teórica por parte del profesor guía de los componentes básicos y las leyes termodinámicas con las que se trabajará (b) Familiarizarse con los distintos instrumentos de medición que serán utilizados en el aparato experimental. (c) Medición de masa del calorímetro vacío y con agua en su interior. (d) Medición de Temperatura inicial del agua. (e) Posteriormente el calorímetro con agua en su interior se conecta con la salida de vapor de la caldera donde se realiza una medición de la presión. (f) Se registran todos los datos medidos (f) Por último, desligar todos los instrumentos utilizados y desmontar los diferentes circuitos eléctricos del aparato experimental.
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3. RESULTADOS 3.1 DATOS EXPERIMENTALES En la Tabla 1 se muestran los datos experimentales de las 3 mediciones realizadas para Temperaturas, masas y presiones.. Tabla 1: Datos experimentales de masa temperatura y presión
Medición Medición
) )
1
11,363
18,626
17,9
410
64,8
380
19,282
2
11,363
20,156
19,4
380
90,6
360
21,366
3
11,363
19,256
20,6
360
86,2
320
20,3
Donde:
: Masa del calorimetro medida en kilogramos. : Masa total (masa liquido + masa de calorímetro). : Temperatura inicial (liquido). : Presión inicial al interior del calorímetro en kPa. : Temperatura final de la mezcla en grados Celsius. : Masa total final (masa liquido + masa de vapor + masa de calorímetro).
3.2 CALCULOS REALIZADOS Con los datos obtenidos experimentalmente, obtenemos la masa de vapor y el título de vapor Tabla 2: Cálculos de masa y título de vapor para las 3 mediciones
N° medición
título
1
11,363
18,626
7,263
19,282
0,656
0,083
2
11,363
20,156
8,793
21,366
1,210
0,121
3
11,363
19,256
7,893
20,300
1,044
0,117
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4. CONCLUSIONES Luego de haber realizado la experiencia y de haber obtenidos los valores y realizados los cálculos correspondientes se puede concluir que la aplicación de los principios termodinámicos son fundamentales a la hora de querer estudiar fenómenos como el visto en esta experiencia, conocer el título o calidad de un vapor es de suma importancia para la ingeniería y los procesos termodinámicos, como los son los procesos de potencia de gas, de refrigeración y de vapor, ya que en estos están presentes turbinas, bombas y compresores, entre otros componentes, por ejemplo en las turbinas se requiere que el titulo sea 0, que sea un vapor saturado seco ya que las partículas de agua dañan la aspas de las turbina, así también en las bombas el título debe ser 1, liquido saturado, ya que las burbujas de vapor generan un fenómeno llamado cavitación, restándole considerablemente vida útil a la bomba, así es pues que conociendo la calidad del vapor se puede optimizar y mejorar los procesos termodinámicos. El título obtenido experimentalmente fue aproximadamente del 10.7%, pero se consideran errores asociados a los cálculos y mediciones o instrumentos error se puede asociar a múltiples factores, por ejemplo, malas lecturas de los valores de las masas del calorímetro sin y con mezcla, una mala manipulación del calorímetro, al momento de retirar el flexible, perdiendo masa, como también al mesarlo con la mezcla, tiene perdidas por los orificios (vapor), como también las temperatura, ya que es lo suficientemente antiguo como para ser absolutamente hermético y no poseer pérdidas , también puede presentar errores la condensación del vapor en las paredes de las tuberías de la salida de la caldera, como en los codos y llaves de paso (apéndice). También debe considerarse el agitador del calorímetro, pudo no usarse de manera correcta, al no agitar la mezcla de manera correcta se expone a que esta no alcance una temperatura homogénea en su totalidad.
APÉNDICE A En esta sección son presentadas las características técnicas y físicas de los diferentes instrumentos de medición utilizados en la experiencia de “Título de Vapor” A.1 TERMÓMETRO DIGITAL DE CONTACTO
Marca: Fluke. Modelo: 52-II Lectura: °C - °F – K Rango de operación: – 200°C a 1090°C Exactitud: ±1% + 10 unidades
Figura A.1: Termómetro digital marca Fluke.
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A.2 BALANZA DIGITAL FLUKE
Marca: FLUKE Modelo: NW-30 Rango de operación: 0,1 -30Kg Exactitud: ±0,1%
Figura A.2: Balanza digital fluke. A.3 CALDERA ANWO
Marca: ANWO Lectura: Bar Capacidad: 17 Bar Exactitud: ±0,1%
Figura A3: Caldera Anwo.
APÉNDICE B B1 CALCULOS DE MASAS Para el cálculos de la masa de agua se utiliza la siguiente fórmula (todos los cálculos serán realizados con los datos obtenidos en la primera medición)
La masa de vapor se obtuvo
La masa de mezcla:
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B2 INCERTIDUMBRE El título se vapor se saca con la siguiente ecuación
Donde
Luego para el cálculo de incertidumbre tenemos que
( ) Para encontrar la incertidumbre es necesario calcular la desviación estándar con un intervalo de confianza del 95% y el valor de r Los resultados obtenidos son Tabla3. Cálculos desviación estándar y r N° medición
1
0,656
2 3
Desviación estándar
r
7,919
5,13571655
7,11774
1,21
10,003
6,21758993
8,61714
1,044
8,937
5,58119382
7,73514
Derivando la ecuación para cálculo de incertidumbre respecto a la masa de vapor y luego respecto a la masa total tenemos que
Reemplazando en la ecuación principal tenemos que
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Obteniendo los siguientes resultados Tabla 4. Cálculos finales N° medición
M cal (Kg)
Mtotal (Kg)
MASA LIQUIDO
M total final(kg)
Masa de vapor(Kg)
masa liq+vap
TITULO
desv.
r
1
11.363
18.626
7.263
19.282
0.656
7.919
0.083
5.1357
7.1177
2
11.363
20.156
8.793
21.366
1.21
10.003
0.121
6.2176
8.6171
3
11.363
19.256
7.893
20.3
1.044
8.937
0.117
5.5812
7.7351
La incertidumbre final para las 3 mediciones son: Tabla 5. Calculo Incertidumbre Ux^2
Ux
0.00025458
0.00012729
0.000205576
0.00010279
0.000240046
0.00012002
B2 CALCULOS DE MASAS Para el cálculos de la masa de agua se utiliza la siguiente fórmula (todos los cálculos serán realizados con los datos obtenidos en la primera medición)
La masa de vapor se obtuvo
La masa de mezcla:
