UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL

FACULTAD REGIONAL RESISTENCIA

CATEDRA DE TERMODINAMICA AO 2015

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DETERMINACIN DE LAS PROPIEDADES TERMODINAMICAS DEL

VAPOR DE AGUA EN PLANTA PILOTO:

OBJETIVO

Determinar las propiedades termodinmicas de una sustancia a partir de operaciones de

calentamiento y estrangulamiento.

MATERIAL Y/O EQUIPO

Planta de vapor marca

Termmetro

Tablas de las propiedades termodinmicas del agua saturada

ASPECTOS TERICOS:

Diagramas de fase: Es un diagrama que muestra el comportamiento de una sustancia

simple compresible. Por ejemplo, la siguiente figura muestra el calentamiento de una

sustancia a presin constante, donde la sustancia original esta en su fase slida, es decir, en

su estado 1.

Cuando al slido se le suministra energa se calienta y consecuentemente aumenta su

temperatura y volumen especfico(figura 5.1), esto ocurrir mientras se siga suministrando

energa, hasta que la sustancia alcance la temperatura de fusin (Tf) correspondiente a la

presin a la que se realiza el experimento, hasta el punto donde la temperatura ya no

aumenta, es decir, permanece constante, caso contrario a lo que le sucede al volumen

especfico, es decir, continua aumentando, esto se debe a que cuando la sustancia alcanza la

temperatura de fusin (Tf) empieza a cambiar de fase, de slido a lquido (fusin), y

mientras el cambio de fase no concluya la temperatura permanece constante (T2=T3).

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El punto 2, donde empieza el slido a cambiar de fase se conoce como slido saturado, y el punto 3 como lquido saturado. S se continua suministrando energa a la sustancia en el punto 3, donde ya toda la sustancia es lquido, volver a incrementarse su temperatura y

su volumen especfico hasta alcanzar la temperatura de ebullicin o de vaporizacin (Tv).

Al alcanzar dicha temperatura, la sustancia

vuelve a cambiar de fase, de lquido a gas o

vapor, y durante todo el cambio de fase la

temperatura del vapor permanece constante,

es decir, T4=T5=Tv.

Al lquido en el punto 4 tambin se le llama

lquido saturado, la diferencia entre los puntos 3 y 4, es que se encuentra uno se

encuentra saturado con respecto al slido y

el otro con respecto al vapor, adems T4>T3,

eso es porque siempre Tv>Tf.

Cuando se conjuntan los diagramas T-v, T-p y p-v en uno slo (figura 5.3), se obtiene un

diagrama tridimensional conocido como superficie p-v-T de la sustancia en cuestin. Los valores de p,v,T,u, h y otras propiedades se determinan mediante el uso de ecuaciones de

estado, y la experimentacin, estos valores se han tabulado y graficado en las tablas y grficas termodinmicas. Estas facilitan el anlisis y resolucin de muchos problemas de termodinmica. Son de particular inters las tablas de vapor saturado y sobrecalentado, as

como los diagramas que comprenden los domos de vapor. Esto se debe a que el vapor de

algunas sustancias, como el agua, el fren y el mercurio, son muy utilizados como

sustancias de trabajo en muchos dispositivos y mquinas trmicas.

Vapor.- Es el gas que resulta de la vaporizacin de un lquido o de la sublicuacin de un

slido. La aplicacin de calor a un lquido sujeto a presin, da lugar a un cambio de estado

fsico, es decir, el lquido se convierte en vapor. S se contina aplicando calor hasta la que

la ltima partcula del lquido se haya evaporado, resulta vapor saturado y seco.

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El vapor puede adquirir tres formas:

a. Vapor saturado.- Se obtiene cuando la presin del vapor depende nicamente de la

temperatura, y en condiciones especiales, el vapor se puede encontrar en equilibrio

con la fase lquida.

b. Vapor seco.-Se obtiene cuando la fase lquida ha desaparecido totalmente. Esto se

logra cuando incrementamos la temperatura al vapor saturado, sin que este llegue a

alcanzar la temperatura critica.

c. Vapor recalentado.- Es el vapor de agua empleado como fuerza electromotriz, este

se obtiene, al calentar el vapor seco, siempre por debajo de la temperatura critica.

Vaporizacin: Es el proceso para convertir el agua en vapor, dentro del recipiente cerrado

llamado caldera. Para obtener una buena vaporizacin es necesaria la circulacin del agua.

El agua debe circular, porque si permanece estable rpidamente alcanzara su estado

esferoidal y el metal de la caldera que constituye la superficie de calefaccin, se quemara

debido a la intensidad del calor que est soportando sin refrigeracin. El estado esferoidal es la condicin fsica que adquiere el agua, cuando al estar en contacto con un metal a grandes temperaturas, se transforma en numerosas gotas esfricas.

Calidad o Titulo del vapor x: Representa la cantidad de vapor que se encuentra en la

mezcla saturada; es decir, la razn de la masa de vapor a la masa de la mezcla:

x = mvapor / mmezcla

Humedad del vapor: Es el porcentaje de agua contenida en un vapor saturado y hmedo.

Combustin.- Es la oxidacin rpida del carbono contenido en un combustible con el

oxgeno del aire. Los productos de la combustin son: calor, luz y gases quemados.

DESARROLLO DE LA PRCTICA:

1. Revise que haya suministro de agua.

2. Asegrese que el nivel de agua en la caldera sea el adecuado, verificando en el indicador

de nivel que sea su mximo permisible.

3. Compruebe que el equipo se encuentre conectado a la toma de corriente.

4. Cargar la paila con un volumen conocido de agua. Medir la temperatura.

5. Medir el nivel de agua del tanque depsito.

6. Abra muy poco el sistema de agua de enfriamiento.

7. Encendido de la Caldera.

8. Espere a que la temperatura y la presin empiecen a incrementarse, cuando esto suceda,

abra la vlvula de control de flujo de vapor para purgar el aire que se encuentra dentro de la

caldera.

9. Cierre la vlvula de control del flujo de vapor y espere a que la presin en el manmetro

se incremente hasta 2 bar. Anote las lecturas de la presin y la temperatura en la caldera.

10. Abrir la vlvula de paso (estrangulacin) que conecta la caldera con la paila.

11. Calentar el agua contenida en la paila hasta la temperatura indicada durante la

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experiencia.

12. Medir el nivel de condensado en el tanque de depsito para un tiempo dado.

13. Apague las resistencias.

14. Abra las vlvulas de control de la caldera para que el vapor escape.

15. Una vez que ya no salga vapor, cierre la vlvula de enfriamiento.

16. Desconecte el equipo del suministro elctrico.

ACTIVIDADES

1) Determinar la presin absoluta en la caldera.

2) Calcular las propiedades termodinmicas del vapor de agua en la caldera.

3) Determinar las propiedades termodinmicas del vapor de agua en la caldera por medio

del diagrama T-s.

4) Determinar la cantidad de Calor suministrada a la paila para calentar el agua.

5) Determinar la cantidad de vapor de agua condensado y compararla con la terica.

6) Determinar el rendimiento exegtico de la instalacin y el porcentaje de prdidas de

calor.

ACTIVIDAD I: PRESIN ABSOLUTA DEL SISTEMA

Con el dato obtenido de la presin atmosfrica del laboratorio, calcula la presin absoluta

en bar, en la caldera. Anotar su valor en la tabla 5.1

Pabs-caldera = Patm + Pmanometro

Donde:

P abs-caldera: presin absoluta en la caldera

P atm: presin atmosfrica

P manmetro: presin de la caldera

ACTIVIDAD II: OBTENCIN DE LAS PROPIEDADES TERMODINMICAS EN

LA CALDERA.

Para determinar las propiedades termodinamicas se obtienen de tablas de vapor saturado

con la P1. Anotar los datos obtenidos en la tabla 5.2 Con los datos de la tabla 5.2 Calcular:

h, v, s, u; anotar los resultados en la tabla 5.3.

h1=hL1+x1hG-L

v1=vL1+x1vG-L

s1=sL1+x1sG-L

u1=h1-P1v1

ACTIVIDAD III: METODO GRFICO. OBTENCIN DE LAS PROPIEDADES

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TERMODINMICAS DEL VAPOR DE AGUA.

Se les pide determinar las propiedades termodinmicas a travs del diagrama T-s (llenar la

tabla 5.4). Al final coteje sus resultados con los obtenidos a travs de tablas de vapor.

ACTIVIDAD IV: CANTIDAD DE CALOR SUMINITRADA.

Se determina la cantidad de calor suministrada a la paila para calentar el agua con la

diferencia de temperatura del agua contenida en la paila, antes y despus de la experiencia,

ya que se conoce el volumen de agua que se est calentando. Para calentar el agua, se

emplea el vapor generado en la caldera y se mide la presin antes del ingreso a la misma

(Tabla 5.5 y Tabla 5.6).

ACTIVIDAD V: CANTIDAD DE VAPOR DE AGUA CONDENSADA

Una vez calentada el agua contenida en la paila, se tiene un cierto volumen de vapor de

agua condensado. Este se compara con el volumen de condensado terico.

ACTIVIDAD VI: DETERMINACIN DEL RENDIMIENTO EXERGETICO Y LAS

PRDIDAS DE CALOR

Con los datos obtenidos de la experiencia expresar y calcular el rendimiento exergetico de

la operacin y determinar las prdidas comparando el calor entregado a la caldera con el

que se empleo para el calentamiento del agua.

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TABLAS DE RESULTADOS:

TABLA 5.1

Concepto Smbolo Unidad Presin absoluta

Presin de Caldera Pabs-caldera

TABLA 5.2

Concepto x1 vL1 vGL1 hL1 hGL1 sL1 sGL1

Unidades % m3/kg m

3/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kgk kJ/kgk

Caldera

TABLA 5.3

Concepto s1 v1 u1 h1

Unidades kJ/kgk m3/kg kJ/kg kJ/kg

Caldera

TABLA 5.4

Concepto s1 v1 u1 h1

Unidades kJ/kgk m3/kg kJ/kg kJ/kg

Caldera

TABLA 5.5

Concepto P2 h2 v2 s2 u2

Unidades bar kJ/kg m3/kg kJ/kgk kJ/kg

Paila

TABLA 5.6

Concepto Ta1 Ta2 ma Q

Unidades K K kg kJ

Paila

TABLA 5.7

Concepto Q h2 mc mcReal Er%

Unidades kJ kJ/kg kg kg %

Paila