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 del agua, el segundo con estados

saturados y calor específico a presión constante y el último con diagrama de Mollier (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 posición 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 húmedo a 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 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 en el Laboratorio

de Termo fluidos el día 07 de agosto del

presente año.

Equipos

Tabla 1: datos técnicos de la caldera

Equipo Caldera de 10 Bar

Marca THOMPSON

Serie G-2326

Modelo MINIPAC 3

Código Espol 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:

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.

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.

Instrumentos

Figura 3: barómetro

Determina la temperatura ambiente en °F.

3. Procedimiento experimental

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 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 (50F) de

supercalentamiento en el calorímetro.

4. Resultados Tabla de datos

Tabla 2: temperatura y presión de la práctica

Temperatura

ambiente

Presión

86°F 14.62 psia

30°C 756 mmHg

Y se p

Tabla 3: temperatura y presión de la caldera

La

Son las condiciones para el estado 1 o estado de

mezcla, es allí donde se determina la calidad.

Tabla 4: entalpía de la caldera

Entalpía( ) 335.84

Entalpía( 1195.48

Unidad Btu/lbm

Tabla 4: temperatura, presión y entalpía del calorímetro

Número

de

lectura

P(psig) P(psia) (°C)

1 13.5 28.12 136

2 13 27.12 137

3 13.2 27.82 138

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 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

Valor promedio de la entalpía

∑

⁄

[

]

Valor obtenido de la calidad en función de

la entalpía promedio

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 (°F)

1 30.36 1162.78

2 33.19 1162.43

3 34.58 1162.57

Cálculo

(4)

Medición 1

[

]

Medición 2

[

]

Medición 3

[

]

Primero se encuentra la entalpía promedio y

como se determina la calidad del vapor

Presión(Bar) 10

Presión(Psig) 145.04

Presión(Psia) 159.66

Temperatura(°C) 184.1

Temperatura(°F) 363.37

Número

de

lectura

(°F) T.

saturación

(°F)

1 276.8 246.44

2 278.6 245.41

3 280.4 245.82

∑

⁄

[

]

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)