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)