UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA

Departamento de Ingeniería Mecánica SANTIAGO

TITULO DE LA EXPERIENCIA

________________________________________________________________________________________________________

EXPERIENCIA N° __________Grupo N°_______Fecha de la Exp_________________ Fecha de Entrega _________________

NOMBRE ASIGNATURA_________________________________________________________CODIGO___________

CARRERA__________ ____________________________________Modalidad (Diurna o Vespertina)___________________________

NOMBRE DEL ALUMNO___________________________________________________________________________ Apellido Paterno Apellido Materno Nombre

________________________ Firma del alumno

Fecha de Recepción

Nota de Interrogación ________________ Nombre del Profesor ________________________________________

Nota de Participación ________________

Nota de Informe ____________________

_________________________________

Nota Final __________________ ______ ________________ Firma del Profesor

SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X

________ Presentación ________ Cálculos, resultados, gráficos

________ Características Técnicas ________ Discusión, conclusiones

________ Descripción del Método seguido _______ Apéndice

OBSERVACIONES

TITULO DE VAPOR

FRE NARANJO MIJAEL ANDREI

ING EJECUCION MECANICA

TERMODINAMICA

E-94 3

DIURNA

IVAN JEREZ FLORES

15062

7-01-2014 21-01-2014

2

Informe de experiencia del laboratorio de termodinámica E-94

Título de Vapor.

3

Índice

III. Resumen del Contenido pág. 4

IV. Objeto de la Experiencia pág. 4

V. Características Técnicas de los Equipos e Instrumentos pág. 4

VI. Descripción del Método Seguido pág. 7

VII. Presentación de los Resultados pág. 8

VIII. Discusión de los Resultados, Comentario y Conclusiones Personales pág. 8

IX. Apéndice pág. 10

a) Teoría del Experimento pág. 10

b) Desarrollo de Cálculos pág. 13

c) Tabla de Datos Obtenidos y Calculados pág. 16

d) Bibliografía Empleada pág. 17

4

III. Resumen del Contenido

El presente informe correspondiente a la experiencia E94 “Titulo de vapor”, correspondiente

a la asignatura de termodinámica, abordara sobre la medición de la calidad del vapor

generado por la caldera BHP800, I.VAR. Industry (Italiana), esta medición debía realizarse

por dos métodos que son el calorímetro de mezcla y calorímetro de Ellison, por motivo de falla

del calorímetro de Ellison, solo se utilizó el calorímetro de mezcla, en los siguientes pasos del el

informe se detallaran los objetivos, materiales utilizados, descripción del montaje, y los

cálculos de la obtención de la calidad del vapor para su posterior análisis.

IV. 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 evaluara el título de vapor para un

calorímetro de mezcla.

Objetivos Específicos

El alumno será capaz de identificar las variables fundamentales que afectan la

medición de la calidad.

Verificar el comportamiento para un calorímetro de mezcla.

V. Características Técnicas de los Equipos e Instrumentos

Para esta experiencia se utilizaron los siguientes instrumentos de medición y equipos del montaje:

Instrumentos de medición

Termómetro Digital.

Marca: Fluke

Modelo: 52 II

Procedencia: Estados Unidos

Lecturas en: °C, °F o K

Medidas con termopares tipo: J, K, T y E

Imagen referencia 1

5

Termocuplas de Inmersión

Marca: Fluke

Procedencia: Estados Unidos

Tipo: K

Rango de medición: -200°C a 1372°C (-328°F a 2501°F)

Precisión:

Por encima de –100°C (-148°F): ± [0,05% + 0,3°C (0,5°F)]

Por debajo de –100ºC (-148ºF): ± [0,20% + 0,3°C (0,5°F)]

Balanza Digital

Marca: Snowrex

Modelo: NV-30

Procedencia: Taiwán

Unidad de medición: Kilogramo

Rango de escala: 0-30 Resolución: 0,002

Barómetro de Torricelli (de Mercurio)

Marca: E. Schiltknecht, Ing S.I.A. Zürich

Procedencia: Suiza

Unidad de medición:

Rango de escala: División de escala: Error instrumental:

Termómetro de Mercurio (incluido en el Barómetro)

Marca: E. Schiltknecht, Ing S.I.A. Zürich

Procedencia: Suiza

Unidad de medición: Rango de escala: División de escala:

Imagen referencia 2

Imagen 3 tomada en la experiencia E94

Imagen referencia 4

6

Equipos del montaje

Caldera laboratorio, modelo BHP800, I.VAR. Industry (Italiana)

Quemador RIELLO OIL RL 70 TL

Potencia min: 255/474 KW

Potencia máx.: 830 KW

Presión: 12 Bar

Potencia eléctrica: 1400 KW

Alimentación: 380 V. 50 Hz.

Categoría: Diésel 2

Procedencia: Italiana

Año de fab: 2013

Norma fab: EN 267

Imagen placa especificaciones técnicas caldera laboratorio

Foto caldera sacada en el laboratorio E96

Imagen referencia 6

Imagen referencia 5

7

Calorímetro de Mezcla

Material: Bronce

Aislación: posiblemente de corcho

Componentes: -Agitador de bronce

-Tapa aislante con 3 orificios.

VI. Descripción del Método Seguido

La experiencia comenzó con una introducción teórica sobre los términos necesarios para la

determinación del título o calidad de vapor para una caldera, explicando el diagrama p-h, y

mostrando los rangos de calidad para la mezcla saturada. Posteriormente, se explica el procedimiento

del calorímetro de mezcla y solo se mencionó el calorímetro de Ellison que no se utilizó en la

experiencia por encontrarse en mal estado. A continuación, se expresa de manera detallada el proceso

del calorímetro de mezcla.

La parte práctica comenzó masando con la balanza digital el calorímetro vacío con tapa y agitador,

posterior se vertió agua en su interior y se masó para obtener por diferencia la masa de agua inicial y

resultante. Después se mide la temperatura inicial del agua con el termómetro digital y la termocupla

de inmersión, con esto se logra determinar las propiedades termodinámicas del estado inicial.

(Temperatura medida 24°c).

Luego, se conecta un apéndice de la caldera generadora de vapor al orificio principal de la tapa del

calorímetro de mezcla y se estabiliza éste en un piso acorde con el nivel de la tubería, además se

introduce la termocupla para la regulación de la temperatura y el agitador en los orificios secundarios.

Luego, el profesor regula el flujo del vapor entrante mediante una válvula con traba de seguridad. (el

control de la temperatura que no debe sobrepasar los 61ºC), también usar el agitador cada dos

minutos de dos a tres veces para homogeneizar la temperatura al interior del calorímetro de mezcla y

por último, cuando se llega a la temperatura indicada cortar el flujo con la válvula hacia abajo. Se

registró una temperatura de 60,9 ºC a los 18 minutos.

Después se retira el calorímetro cuidadosamente en forma paralela con el piso, para evitar con la

salida del apéndice pérdidas del condensado, y se mide la masa resultante o final, necesario para

obtener la masa vapor.

Luego se registró la presión atmosférica y temperatura del laboratorio.

Con los datos registrados, se obtienen las variables para la obtención de la calidad de vapor.

Imagen 7 Tomada en la experiencia

8

VII. Presentación de los Resultados

A continuación se presenta los resultados obtenidos en esta experiencia:

VIII. Discusión de los Resultados, Conclusiones y Observaciones

Personales

En esta experiencia se logró determinar con el método calorímetro de mezcla, la calidad del vapor

suministrado por la caldera generadora de vapor, se logró determinar las propiedades termodinámicas

dentro de la zona o campana de saturación, mediante el principio de conservación de masa evaluados con

Factores Correcciones de

presión

Datos calculados

Los datos destacados en

celeste se obtuvieron mediante

interpolación lineal utilizando

tablas libro Yunus Cengel 6ta

edición, tabla A-4 agua

saturada ingresando por

temperatura.

[

]

Los datos destacados en

naranjo se obtuvieron

mediante interpolación lineal

utilizando tablas libro Yunus

Cengel 6ta edición, tabla A-5

agua saturada ingresando por

presión absoluta.

9

los datos experimentales como las masas, temperaturas y presión absoluta (presión relativa + presión

atmosférica corregida).

Al observar el valor del título de vapor por el calorímetro de Mezcla, se deduce que el resultado se puede

ver afectado por falencias del procedimiento, ya que, hay presentes muchas variables como las

mediciones de las masas (agua y vapor), las temperaturas y factores del manejo del calorímetro.

Para este método se obtuvo un título del 90,45 %, por lo que está dentro de los parámetros posibles, según

el profesor el título disponible por la caldera es de un 96%.

Deduciendo específicamente sobre el procedimiento del calorímetro de Mezcla se pueden mencionar las

posibles causas de error, como el traslado para la medición de la masa final al desconectar el apéndice del

calorímetro, habiendo posibles fugas de masa. Además, la condición de que la mezcla no supere una

temperatura final de 61ºC, puesto que a esta temperatura el agua deja de enfriar el vapor y condensarlo, y

comenzaría a sobrecalentarse, comienzan a existir pérdidas de masa debido a la evaporación al no ser el

calorímetro adiabático.

IX. Apéndice

a) Teoría del Experimento

Para el estudio del vapor de agua se utiliza un diagrama P – v y una curva denominada Campana de

Andrews o Campana de Vapor, donde se representa la presión P y el volumen específico (v) del mismo.

Definimos como volumen específico al cociente entre el volumen de una sustancia y su masa:

La unidad de volumen específico es el m3 / Kg, es decir la inversa de la densidad, por lo que el

volumen específico puede definirse como:

(1.20)

En el diagrama P – v, la campana de vapor es cortada por curvas isotérmicas que determinan el

estado en que se encuentra el agua como líquido o vapor.

10

Punto 5: Líquido comprimido

Se denomina así a un líquido que está sometido a una presión mayor que la presión de equilibrio

líquido – vapor correspondiente a la temperatura a que se encuentra (por ej. agua de la canilla a 20 ºC

y 1 atm).

Punto 4: Líquido saturado

Se denomina así a un líquido que se encuentra en condiciones de equilibrio con su vapor. Mientras

cambia de estado se entrega energía, pero no hay un aumento de la temperatura (se conserva el estado

térmico de la materia), porque la energía que se entrega sirve para separar las moléculas del estado

líquido al estado de vapor. En este estado tenemos la primera gota de líquido que se transforma en

vapor.

Punto 3: Vapor húmedo

Se denomina así a la mezcla de Líquido saturado + Vapor saturado. En este caso para definir de qué

vapor húmedo se trata, no basta con conocer la presión, a la que corresponderá una determinada

temperatura, sino que además deberá darse un nuevo parámetro que nos indique en que proporciones

en la mezcla se encuentra el líquido y el vapor. Para esto se introduce el llamado título de un vapor

"x", que se define como el cociente entre la masa de vapor y la suma entre la masa de vapor y la masa

líquida:

(1.21)

O sea que el título del vapor es la masa de vapor contenida en la unidad de masa de mezcla.

Punto 2: Vapor saturado

Se denomina así a un vapor que se encuentra en condiciones de equilibrio con su líquido. En este

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estado tenemos la última gota de líquido que se transforma en vapor.

Punto 1: Vapor sobrecalentado

Se denomina así a un vapor que se encuentra a una temperatura superior a la de equilibrio con su

líquido correspondiente a la presión a que está sometido. Para este estado un pequeño cambio de

temperatura produce un gran aumento del volumen específico del vapor sobrecalentado.

De la definición de título de un vapor, vista en (1.21), podemos obtener el título para el estado de

líquido saturado y vapor saturado:

Líquido saturado: en este estado la masa de vapor es prácticamente cero (mV = 0) comparada con la

masa de líquido, por lo que el título valdrá:

Vapor saturado: en este estado la masa de líquido es prácticamente cero (mL = 0) comparada con la

masa de vapor, por lo que el título valdrá:

Otra forma de expresar el título del vapor es por medio del volumen específico. El volumen total

dentro de la campana es el volumen de líquido más el volumen de vapor:

(1.22)

Aplicando la definición de volumen específico:

(1.23)

Donde v´ representa el volumen específico de líquido saturado (x = 0) y v´´ representa el volumen

específico de vapor saturado (x = 1).

Si dividimos miembro a miembro por la masa total:

(1.24)

El segundo sumando representa el título por definición (ver 1.21), mientras que el primer sumando es

la fracción restante del título, por lo que se puede escribir como:

(1.25)

Si aplicamos la propiedad distributiva y agrupamos de manera conveniente:

(1.26)

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De esta forma podemos determinar el volumen específico del vapor húmedo v conocido el título x, el

volumen específico de saturación del líquido v´ y del vapor v´´.

Pero si se conoce alguno de los parámetros específicos de un vapor húmedo y no su título, es fácil que

este pueda calcularse con la siguiente expresión:

(1.27)

Calorímetro de Mezclas:

Es un instrumento que sirve, mediante la implementación de un equivalente de agua de la sustancia a

medir, para poder hallar el valor de las Cantidades de Calor desprendidas en un proceso físico o

químico.

Para hallar dicha incógnita, podemos plantear la Ecuación fundamental de la Calorimetría:

Qabs. = Qced.

Dónde:

Q abs.= magua * c agua * ðT agua + mcal. * c cal. * ðT cal.

Q ced. = msust. * c sust. * ðT sust.

Presión

Presión atmosférica: presión que ejerce la atmósfera que rodea la tierra sobre todos lo objetos que se

hallan en contacto con ella. La presión atmosférica cambia con la altitud, a mayor altitud menor

presión atmosférica, un aumento en altitud de 1 000 m representa una disminución de presión

atmosférica de aproximadamente 100 hPa.

Presión atmosférica normalizada: presión ejercida por la atmósfera bajo condiciones normalizadas,

igual a 1 013,25 hPa (760 mmHg). La cual idealmente se presenta a un altitud de 0 m s.n.m. (sobre el

nivel medio del mar), temperatura ambiente de 20 ºC, humedad de 65 %HR y densidad del aire de 1,2

kg/m³.

Presión barométrica: presión atmosférica local más una corrección por la altitud geopotencial local. La

presión barométrica oscila alrededor de la presión atmosférica normalizada (1 013,25 hPa).

Altitud: Es la distancia vertical entre un punto situado sobre la superficie terrestre o la atmósfera y el

nivel medio del mar.

13

b) Desarrollo de cálculos

Calorímetro de Mezcla

En esta sección se desarrollan los cálculos necesarios para obtener la entalpia del vapor saturado y así

conseguir el título o la calidad del vapor proporcionado por el generador de vapor, mediante las

ecuaciones deducidas de un balance de energía y la definición de entalpia dentro de la campana de

saturación:

Calculo de la Presión Atmosférica Corregida

Para la obtención de los datos que permiten determinar el título de vapor, primero se debe calcular la

presión atmosférica del laboratorio con las correcciones pertinentes de temperatura, altitud y latitud,

a las condiciones normales que son a 0ºC, 45º de latitud y a nivel del mar. Esto es:

Datos Obtenidos ]

Corrección por Temperatura desde los 26°C a los 0°C.

Corrección por Latitud desde los 33°27’ a 45° y aplicando una interpolación doble:

Corrección por Altitud desde los 567 m a 0 m (nivel del mar) y aplicando una interpolación doble:

Por lo tanto, la presión atmosférica o barométrica medida con las correcciones está dada por la

relación:

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Siendo y el error instrumental

Determinación de las Masas

Masa del calorímetro vacío:

Masa del calorímetro lleno con agua:

Masa del calorímetro final con la masa del agua y vapor:

Masa del Agua

Masa Final de la Mezcla

Masa del Vapor Saturado

Energías Internas

Se utilizaron las tablas del libro Yunus Cengel 6ta edición, agua saturada. Por lo tanto, utilizando los

datos correspondientes y la relación , se tienen los siguientes valores calculados.

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Calculo energía interna del agua con una temperatura de 24 °C aplicando interpolación simple.

Calculo energía interna final de la mezcla a 60,9 °C aplicando interpolación simple.

Calculo de Entalpia a Presión Absoluta

Aplicando interpolación lineal simple a los datos de entalpia a presión absoluta, se obtiene:

Calculo del Título de Vapor

Aplicando las ecuaciones expresadas al inicio de esta sección y los datos calculados de los puntos anteriores,

se tiene:

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c) Tabla de Valores Obtenidos y Calculados

Datos leídos

Factores Correcciones de

presión

Datos calculados

Los datos destacados en

celeste se obtuvieron

mediante interpolación

lineal utilizando tablas libro

Yunus Cengel 6ta edición,

tabla A-4 agua saturada

ingresando por

temperatura.

[

]

Los datos destacados en

naranjo se obtuvieron

mediante interpolación

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d) Bibliografía Empleada

Guía laboratorio E94 Titulo de Vapor.

Sitios Web.

Teoría de la experiencia

http://www.estrucplan.com.ar/Producciones/entrega.asp?IdEntrega=2744

http://www.metas.com.mx/guiametas/La-Guia-MetAs-05-02-presion-atmosferica.pdf

Conversor de unidades de presión.

http://www.convertir-unidades.info/convertidor-de-unidades.php?tipo=presion

lineal utilizando tablas libro

Yunus Cengel 6ta edición,

tabla A-5 agua saturada

ingresando por presión

absoluta.