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.