Post on 17-Nov-2020
Práctica 11
Coeficiente de Joule-Thomson
Laboratorio de Termodinámica
Ing. Alejandro Rojas Tapia
Introducción
El proceso de estrangulamiento es un
proceso generado por la caída de presión
cuando el fluido pasa por válvulas, capilares
(tuberías muy delgadas) y tapones porosos.
Este proceso se suele acompañar de una
disminución de temperatura y se usa en
sistemas de refrigeración o sistemas de
acondicionamiento de aire generalmente.
Introducción
● Dispositivos de Estrangulamiento
Los dispositivos de estrangulamiento son elementos que restringen el flujo, lo
cual causa una caída de presión importante en el fluido. Algunos dispositivos
comunes son válvulas, tubos capilares, reducciones bruscas y tapones
porosos (como el corcho). Estos dispositivos producen una caída de presión
sin implicar trabajo. La caída de presión en el fluido suele ir acompañada de
una reducción en la temperatura, por esa razón los dispositivos de
estrangulamiento son de uso común en aplicaciones de refrigeración y
acondicionamiento de aire.
OBJETIVOS:
● Determinar el valor del coeficiente de Joule-Thomson para el agua
en un proceso isoentálpico (proceso de estrangulamiento).
• Determinar la calidad del vapor de agua procedente del generador de
vapor.
Conceptos teóricos
● Concepto de vapor saturado y vapor sobrecalentado
● Concepto de estado
● Proceso de estrangulamiento
● Proceso de enfriamiento o calentamiento
● Proceso isoentálpico
● Coeficiente de Joule-Thomson
Vapor saturado
Vapor que está a punto de condensarse
(cambiar de fase de vapor a líquido).
Vapor sobrecalentado
Vapor que se encuentra a una temperatura
superior a la de saturación para una presión
determinada.
Concepto de estado
Un estado termodinámico es el momento o instante en el que el valor de las
propiedades termodinámicas se encuentran definidas. Los parámetros
individuales se conocen como variables de estado, parámetros de estado o
variables termodinámicas.
Propiedades termodinámicas (presión, temperatura, volumen específico, energía
interna, entalpia, entropía, viscosidad, etc.)
Proceso de estrangulamiento de un fluido
Proceso que se lleva a cabo en una válvula de estrangulamiento, donde serestringe el flujo del fluido y provoca una caída importante en la presiónacompañado de un cambio en la temperatura. Como consecuencia del elevadocambio en la presión y la temperatura, la entalpia antes de ser estrangulado elfluido es igual a la entalpia después del estrangulamiento, es decir:
ℎ𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎= ℎ𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
Debido a este comportamiento termodinámico del sistema, de dice que elproceso es a entalpia constante (h=cte).
Proceso de enfriamiento o calentamiento
El principio de funcionamiento del enfriamiento por evaporación se basa en
emplear la elevada entalpia de vaporización del agua.
La temperatura del aire seco puede ser reducida en forma significativa mediante
la transición de fase de agua líquida a vapor de agua, que requiere de un consumo
de energía mucho menor que el consumo de energía de las unidades que
funcionan mediante refrigeración.
A diferencia de la refrigeración, los dispositivos que funcionan a base de
evaporación requieren disponer de una fuente de agua y para su funcionamiento
la consumen de manera continua.
Proceso isoentálpico
Un proceso isoentálpico se define como un proceso en el cual la entalpia a la
entrada del estrangulamiento es la misma que a la salida. Es importante
mencionar que durante el estrangulamiento del fluido ninguna propiedad
permanece constante. Sin embargo, al hacer el balance de energía en el
dispositivo se llega a la conclusión que la entalpia antes de ser estrangulado el
fluido es la misma después del estrangulamiento.
Coeficiente de Joule-Thomson
El modelo matemático de la Primera Ley de la Termodinámica acoplado a un
volumen de control (dispositivo de estrangulamiento) con una entrada y una
salida, se llega a la conclusión de que la entalpia a la entrada es la misma que a
la salida.
La conclusión anterior se puede comprobar realizando un balance de energía en
un dispositivo de estrangulamiento.
ሶ𝑄+ ሶ𝑊= ሶ𝑚1
2𝑉𝑓2 − 𝑉𝑖
2 + 𝑔 𝑧𝑓 − 𝑧𝑖 + (ℎ𝑓 − ℎ𝑖)
dispositivo de estrangulamiento
Balance de energía en el dispositivo de estrangulamiento
● ሶ𝑄 + ሶ𝑊 = ሶ𝑚 ℎ2 − ℎ1 +1
2𝑣22 − 𝑣1
2 + 𝑔 𝑧2 − 𝑧1
● 0 = ሶ𝑚(ℎ2 − ℎ1)
● ℎ2 = ℎ1
● 𝑢1 + 𝑝1𝑣1 = 𝑢2 + 𝑝2𝑣2
● 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐼𝑛𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎 + 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 = 𝑐𝑡𝑒.
El proceso de estrangulamiento ideal se considera adiabático: Q = 0
No se realiza ningún tipo de trabajo: W = 0
El cambio en la energía cinética es cero:1
2𝑉22 − 𝑉1
2 = 0
El cambio en la energía potencia es cero: 𝑔 𝑧2 − 𝑧1 = 0
● El efecto final de un proceso de estrangulamiento depende de cuál de las dos
cantidades aumenta. Si el flujo de energía aumenta durante el proceso, es decir,
𝑝2𝑣2 > 𝑝1𝑣1 , es porque lo hace a expensas de la energía interna. Como
consecuencia, la energía interna disminuye, lo cual suele acompañarse de una
disminución o descenso en la temperatura.
Curva de inversión
● Algunas líneas de entalpia constante en el diagrama (T-P) pasan por un
punto de pendiente cero o coeficiente de Joule-Thomson cero. Las líneas
que pasan por estos puntos reciben el nombre de líneas de inversión; y la
temperatura en la cual se intersecta la línea de entalpia constante con la
línea de inversión se le conoce como temperatura de inversión. La
temperatura de inversión es la intersección de la línea h = constante, éstas
son negativas en estados a la derecha de la línea de inversión.
Curva de inversión
Diagrama T-P
μJT (-) (Derecha) CalentamientoμJT (+) (Izquierda) Enfriamiento
Desarrollo de la práctica
Coeficiente de Joule-Thomson
El comportamiento de la temperatura de un fluido durante un proceso de
estrangulamiento (h=constante) está descrito por el coeficiente de Joule-
Thomson, definido como:
El coeficiente de Joule Thomson es una medida del cambio de temperatura con la presión durante un proceso de entalpia constante.
Coeficiente de Joule-Thomson
µ𝑱𝑻 =𝜹𝑻
𝜹𝑷)𝒉=𝒄𝒕𝒆 ≈
𝜟𝑻
𝜟𝑷≈𝑻𝟐 − 𝑻𝟏𝑷𝟐 − 𝑷𝟏
Calidad del vapor
𝑿𝒗 =𝒉𝒎𝒆𝒛𝒄𝒍𝒂− 𝒉𝒇
𝒉𝒈 − 𝒉𝒇
Donde:
hmezcla = Entalpia de mezcla y se obtiene con la presión y temperatura
registrada después del estrangulamiento [kJ/kg].
hf = Entalpia de líquido saturado que se obtiene con la presión absoluta y la
temperatura registrada antes de estrangular el vapor [kJ/kg].
hg = Vapor saturado que se obtiene con la presión absoluta y la
temperatura registrada antes de estrangular el vapor [kJ/kg].
Para cada evento la presión a la salida de la válvula es igual a la presión
atmosférica. Con ésta presión y la temperatura a la salida de la válvula se
obtienen los valores de la entalpia.
El vapor a la salida de la válvula es vapor sobrecalentado y para determinar la
entalpia se usa el software CATT3 (tablas termodinámicas computarizadas,
versión 3).
Una vez que se tiene estos datos, procederemos a calcular la calidad y el
coeficiente de Joule-Thomson con las siguientes expresiones. Debemos recordar
lo que indica el valor y el signo del coeficiente.
Se repite este procedimiento con todos los datos hasta completar la siguiente
tabla.
Tabla de valores
De acuerdo con las lecturas que se obtuvieron en el generador de vapor, complete
la siguiente tabla:
La presión atmosférica = 77 [kPa]
Referencias
-Giancoli, D., (2006), Física, México; Pearson Educación.
-Wark, K. J. y Richards, D. (2001). Termodinámica. Madrid: McGraw-Hill Interamericana, S.A.
-Bibián, A., (1992), Fundamentos de Termodinámica clásica. Colombia; Universidad Nacional de Colombia.
-Jiménez, C. (2006), Calor y calorimetría, Costa Rica; TEC.