Download pdf - Reporte de la Practica #7 "Propiedades Termodinamicas del Vapor de Agua"

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES PLANTEL ARAGON INGENIERIA MECANICA LABORATORIO DE TERMODINAMICA PRACTICA #7 PROPIEDADES TERMODINAMICAS DEL VAPOR DE AGUA JUAREZ HERNANDEZ CARLOS GARCIA LEON ARTURO ING. ALEJANDRO RODRIGUEZ LORENZANA GRUPO: MARTES DE 17:30 19:00 HRS

FECHA DE REALIZACION: MARTES 18 DE OCTUBRE DE 2011 FECHA DE ENTREGA: MARTES DE 25 OCTUBRE DE 2011

Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de AguaTABLA DE CONTENIDO

OBJETIVO AVTIVIDADES MATERIAL SUSTANCIAS ASPECTOS TEORICOS DIAGRAMAS DE FASE DIAGRAMAS PRESION-VOLUMEN DOMO DE VAPOR VAPOR CALIDAD DE VAPOR COMBUSTION CALORIMETRO DE ESTRANGULAMIENTO

DESARROLLO ACTIVIDAD 1 ACTIVIDAD 2 ACTIVIDAD 3 ACTIVIDAD 4

TABLAS DE LECTURAS MEMORIA DE CALCULOS TABLAS DE RESULTADOS CONCLUSIONES CUESTIONARIO BIBLIOGRAFIA

LABORATIORIO DE TERMODINAMICA

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Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de AguaOBJETIVO

Determinar las propiedades termodinmicas de una sustancia a partir de un calormetro de estrangulamiento.

ACTIVIDADES

Determinar la presin absoluta en la caldera y en el calormetro. Calcular las propiedades termodinmicas en el calormetro. Obtener la calidad de vapor en la caldera. Calcular las propiedades termodinmicas del vapor de agua en la caldera.

EQUIPO Y MATERIAL

Planta de vapor marca PLINT. Termmetro de 0 a 200C. Barmetro.

SUSTANCIAS

Agua destilada.

ASPECTOS TEORICOSDiagramas 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 est en si fase solida, es decir en su estado 1. Cuando al solido se le suministra energa se calienta y consecuentemente aumenta su temperatura y volumen especifico, esto ocurrir mientras se siga suministrando energa hasta que la sustancia alcance la temperatura de fusin (T f) correspondiente a LABORATIORIO DE TERMODINAMICA Pgina 3

Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de Aguala presin a la que se realiza el experimento, hasta el punto donde la temperatura ya no aumenta, es decir, permanecer constante, caso contrario a lo que le sucede al volumen especifico, es decir, continua aumentando esto se debe a que cuando la sustancia alcanza la temperatura de fusin (T F) empieza a cambiar de fase de solido a liquido (fusin) y mientras el cambio de fase no concluya la temperatura permanece constante (T2=T3). El punto 2 donde empieza el slido a cambiar de fase se conoce como SOLIDO SATURADO y en el punto 3 como LIQUIDO SATURADO. Si se contina suministrando energa a la sustancia en el punto 3, donde ya toda la sustancia es lquido volver a incrementarse su temperatura y su volumen especifico hasta alcanzar la temperatura de ebullicin o de vaporizacin (TV). Al alcanzar dicha temperatura la sustancia vuelve a cambiar de fase, de liquido a gas o vapor y durante todo el cambio de fase la temperatura del vapor permanece constante, es decir, T4=T5=TV. Al liquido en el punto 4 tambin se le llama LIQUIDO SATURADO, la diferencia entre los puntos 3 y 4 es que se encuentran uno se encuentra saturado con respecto al solido y el otro con respecto al vapor, adems T4>T3 eso es porque siempre Tv>Tf. Al vapor en el punto 5 se llama VAPOR SATURADO, si se le suministra ms energa, su temperatura sigue incrementndose al igual que su volumen especfico. Si la sustancia se encuentra a una temperatura mayor que la de vaporizacin, correspondiente a la presin existente se dice que la sustancia se encuentra como VAPOR SOBRECALENTADO.

Diagrama Presin-Volumen del Domo de Vapor:Este diagrama es muy utilizado para el anlisis de cambio de fase de lquido a vapor y viceversa. Se acostumbra a utilizar los subndices f y g para sealar los estados de saturacin del lquido y vapor respectivamente. Por ejemplo a la temperatura T, marcada en el diagrama el lquido saturado tendr un volumen especfico vf y el vapor saturado un volumen especfico vg. Para sealar la diferencia de una misma propiedad entre el vapor y el lquido saturado se utiliza el subndice fg. Cuando se conjunta los diagramas T-v, T-P y P-v en uno solo se obtiene un diagrama tridimensional conocido como Superficie P-v-T de la sustancia en cuestin. Los valores de P, v, T, u y h y otras propiedades se determinan mediante el uso de ecuaciones de estado y la experimentacin estos valores se han tabulado y grafica en las tablas y graficas Termodinmicas. Estas facilitan el anlisis y resolucin de muchos problemas de Termodinmica. LABORATIORIO DE TERMODINAMICA Pgina 4

Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de AguaSon 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 maquinas trmicas.

Vapor:Es el gas que resulta de la evaporizacin o ebullicin (paso de un liquido a vapor) o de la sublicuacion 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. Si se contina calor hasta que la ltima partcula del lquido se haya evaporado, resulta vapor saturado seco. El vapor puede adquirir tres formas: 1) Vapor saturado.- Se obtiene cuando la presin del vapor depende nicamente de la temperatura y en condiciones especiales se puede encontrar en equilibrio con la fase liquida. 2) Vapor Seco.- Se obtiene cuando la fase liquida ha desaparecido totalmente. Esto se logra cuando incrementemos la temperatura al vapor saturado sin que este llegue a alcanzar la temperatura crtica. 3) 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.

Calidad de Vapor:Representa la cantidad de vapor que se encuentra en la mezcla saturada; es decir la razn de la masa del vapor a la masa de la mezcla:

Combustin:Es la oxidacin rpida del carbono contenido en un combustible con el oxigeno del aire. Los productos de la combustin son: calor, luz y gases quemados.

Calormetro de Estrangulacin:Un calormetro de estrangulacin para vapor es un instrumento utilizado para determinar la calidad del vapor hmedo que fluye por un cabezal. Su funcionamiento se basa en el hecho de que cuando el vapor hmedo se estrangula, se forma vapor sobrecalentado. LABORATIORIO DE TERMODINAMICA Pgina 5

Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de AguaDESARROLLO1. Revise que haya suministro de agua de la red. 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. Abra la vlvula del sistema de agua de enfriamiento. 5. Accione los interruptores de las resistencias elctricas, estos se encuentran en el panel del equipo. 6. 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. 7. Cierre la vlvula de control del flujo de vapor y espere a que la presin en la caldera se incremente hasta 350 KN/m2, abra la presin de la vlvula de control del flujo de vapor y cuando la presin descienda a 300 KN/m2, tome las lecturas de presin y temperatura en la caldera as como la presin y temperatura en el calormetro. Anotarlas en la tabla 7.1A. NOTA: la presin en la caldera se controla incrementando o disminuyendo la energa suministrada, por lo que si la presin excede a mas de 300 KN/m 2 , desactive una de las resistencias, cuando la presin empiece a disminuir, active nuevamente la resistencia. Al finalizar la toma de lecturas realice las siguientes acciones: 1. Apague las resistencias. 2. Abra las vlvulas de control de la caldera y el calormetro para el vapor escape. 3. Una vez que ya no salga vapor, cierre la vlvula de agua de enfriamiento. 4. Desconecte el equipo del suministro electrnico. 5. Obtenga la presin atmosfrica en el barmetro del laboratorio.

Actividad I: Presin Absoluta del sistemaCon el dato obtenido de la presin atmosfrica del laboratorio, calcula la presin absoluta en Bar, en la caldera. Anotar su valor en la tabla 7.1A.


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Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de AguaActividad II: Propiedades termodinmicas del vapor sobrecalentadoRealizando el estudio en el calormetro de estrangulamiento y aplicando la Primera Ley de la Termodinmica, se concluye que el proceso interno que se lleva a cabo en el calormetro es isoentlpico, es decir a entalpia constante h1 = h2. Aplicando la Primera Ley de la Termodinmica:

Haciendo el anlisis correspondiente, concluye que: Q=0, debido a que no se suministra calor al sistema. W=0, ya que le sistema no entrega trabajo. Ep=0, ya que tanto en la caldera como en el calormetro se encuentran prcticamente a la misma temperatura y presin. Ec=0, debido a que no hay variacin de la velocidad del fluido a la entrada y salida del mismo.

Por tanto:

Donde: U = incremento de energa interna (joule, ergios). Wf = trabajo de flujo (joule, ergios). Aplicada a la entrada y salida del calormetro:

Y la energa trmica especifica:

Empleando la definicin de entalpia, tenemos:

Por tanto: LABORATIORIO DE TERMODINAMICA Pgina 7

Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de Agua

Esto implica que el proceso si es isoentlpico, es decir:

O bien:

Esto queda representado en un diagrama T-S como:

Lo cual indica que en el punto 2 el vapor se encuentra sobrecalentado y la entalpia se puede determinar en las tablas de vapor sobrecalentado con la presin atmosfrica (P2) y la temperatura en el calormetro (T2). Determinar con la P2 y T2: la entropa (s), entalpia (h), el volumen especifico (v) y la energa interna (u).

Actividad III: Determinacin de la calidad de vapor en la calderaPara determinar la calidad de vapor en la caldera, consideramos:

Despejando:

Consideramos: h1 = h2 hG y hL se determinan de las tablas de vapor saturado con la P1.

Actividad IV: Obtencin de las propiedades termodinmicas en la caldera


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Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de Agua

Donde la calidad del vapor se determino en la actividad numero tres y las otras variables se obtienen de tablas de vapor saturado con la P 1. Anotar los valores obtenidos en la tabla 7.3B. Con los datos de la tabla 7.3A. Calcular: h, v, s, u; anotar los resultados en la tabla 7.4B.

TABLAS DE LECTURAS

Tabla 7.1ACONCEPTO CALDERA Presin LECTURA (KPa) Temperatura (C) CALORIMETRO Presin (KPa) Temperatura (C) ATMOSFERA Presin (mmHg)

MEMORIA DE CALCULOS

Vapor de Agua Saturado (Segn la Presin)P(bar) s(kJ/kgK) T(C) v(m3/kg) v(m3/kg) h(kJ/kg) h(kJ/kg) s(kJ/kgK)

0.01000 6.9696 0.0010001 129.18 29.299 2513.7 0.10591 8.9749 0.01500 13.019 0.0010007 87.959 54.683 2524.7 0.19556 8.8270 0.02000 17.495 0.0010014 66.987 73.428 2532.9 0.26056 8.7226 0.02500 21.077 0.0010021 54.240 88.420 2539.4 0.31182 8.6420 0.03000 24.079 0.0010028 45.653 100.98 2544.8 0.35429 8.5764LABORATIORIO DE TERMODINAMICA Pgina 9

Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de Agua 0.03500 26.672 0.0010035 39.466 111.82 2549.5 0.39061 8.5211 0.04000 28.960 0.0010041 34.791 121.39 2553.7 0.42239 8.4734 0.04500 31.012 0.0010047 31.131 129.96 2557.4 0.45069 8.4313 0.05000 32.874 0.0010053 28.185 137.75 2560.7 0.47620 8.3938 0.05500 34.581 0.0010059 25.762 144.88 2563.8 0.49945 8.3599 0.06000 36.159 0.0010065 23.733 151.48 2566.6 0.52082 8.3290 0.06500 37.627 0.0010070 22.009 157.61 2569.3 0.54060 8.3007 0.07000 39.000 0.0010075 20.524 163.35 2571.7 0.55903 8.2745 0.07500 40.290 0.0010080 19.233 168.75 2574.0 0.57627 8.2501 0.08000 41.509 0.0010085 18.099 173.84 2576.2 0.59249 8.2273 0.08500 42.663 0.0010089 17.095 178.67 2578.3 0.60780 8.2060 0.09000 43.761 0.0010094 16.199 183.25 2580.2 0.62230 8.1858 0.09500 44.807 0.0010098 15.396 187.63 2582.1 0.63607 8.1668 0.10000 45.806 0.0010103 14.670 191.81 2583.9 0.64920 8.1488 0.20000 60.058 0.0010172 7.6480 251.42 2608.9 0.83202 7.9072 0.30000 69.095 0.0010222 5.2284 289.27 2624.5 0.94407 7.7675 0.40000 75.857 0.0010264 3.9930 317.62 2636.1 1.0261 7.6690


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Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de Agua 19.000 209.80 0.0011724 0.10470 896.71 2797.2 2.4227 6.3578 20.000 212.38 0.0011767 0.09958 908.50 2798.3 2.4468 6.3390 21.000 214.86 0.0011810 0.09493 919.87 2799.3 2.4699 6.3210

Realizamos una interpolacin para determinar la entalpia a una presin .78 kpas A 0.75 kpas = 2679.393 kj/kg A 0.8 kpas = 2678.754 kj/kg A 0.78 Kpas=? Y1= (x1-x)+y

Sustituimos h2= (0.78-0.75)+2679.398=2679.0096kj/kg Presin= .78 Kpa Temperatura=100c h1=h2 hl1= hl1=595.998 kj/kg hgl1= (3.78-3.7)+2141.439=239.1360 kj/kg (3.78-3.7)+592.689)=

x1=LABORATIORIO DE TERMODINAMICA Pgina 13

Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de AguaLos dems valores se pueden obtener directamente de la tabla de vapor de agua saturado. VL1=1.6939m3/kg VG1=0.4623m3/kg VGL1=1.2316 m3/kg h L1=2679.006Kj/kg hGL1=54.994 Kj/kg Sl1=7.3538Kj/kgk SGL1=0.4137 Kj/kgk

TABLAS DE RESULTADOS

Tabla 7.1BCONCEPTO CALDERA SIMBOLO Pcald UNIDAD KPa PRESION ABSOLUTA

.78

Tabla 7.2BCONCEPTO (UNIDADES) CALORIMETRO h2 KJ/kg 2679.0096 v2 m3/kg s2 KJ/KgC u2 KJ/kg 2679.398


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Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de Agua Tabla 7.3BCONCEPTO vL1 vG1 vGL 1 hL1 hGL1 sL1 sGL1 X1

UNIDADES CALDERA

m3/kg 1.6939

m3/kg 0.4623

m3/kg 1.2316

KJ/kg

KJ/kg

KJ/kgK 7.3538

KJ/kgK 0.4137

% 0.9737

2679.006 54.994

Tabla 7.4BCONCEPTO UNIDADES CALDERA s1 KJ/kgK v1 m3/kg u1 KJ/kg h1 KJ/kg 595.998


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Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de AguaCONCLUSIONES

De esta prctica no se podemos concluir muchas cosas ya que por falta del equipo necesario para realizar la prctica. Aunque el profesor nos mostro la forma de cmo hacer la practica en forma de terica utilizando los diagramas de mollier y las tablas de vapor evaporado y como de esta podemos encontrar las propiedades termodinmicas del vapor de agua desde otro punto de vista sin realizar la experimentacin para ello aunque siempre es importante realizar las pruebas experimentales para corroborar lo que se ve tericamente en clase y en el laboratorio.


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Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de AguaCUESTIONARIO

1) Cules son los problemas que se pueden presentar en la operacin de una caldera? 2) Qu precauciones deben tomarse al encender una caldera? Que est conectada correctamente a la alimentacin electrica. 3) Cmo se mide la presin absoluta en una caldera? Mediante el manmetro y la presin atmosferica 4) Qu relacin existe entre la variacin del peso del agua con el aumento de temperatura en una caldera para su buen funcionamiento? 5) Qu sucede cuando la vaporizacin del agua tiene lugar en un recipiente cerrado y se le aumenta su temperatura? Este aumenta la presin dentro del recipiente 6) A qu se debe la circulacin trmica del agua? De un ejemplo. Se pudiera admitir que la cantidad total de agua que existe en la Tierra, en sus tres fases: slida, lquida y gaseosa, se ha mantenido constante desde la aparicin de la Humanidad. El agua de la Tierra - que constituye la hidrsfera se distribuye en tres reservorios principales: los ocanos, los continentes y la atmsfera, entre los cuales existe una circulacin contnua - el ciclo del agua o ciclo hidrolgico. El movimiento del agua en el ciclo hidrolgico es mantenido por la energa radiante del sol y por la fuerza de la gravedad. 7) En cuantas formas se transmite el calor en una caldera. La energa en forma de calor, trabajo y electricidad puede convertirse de una forma a otra slo de las siguientes formas: Energa mecnica a energa elctrica usando un generador: 50-95 % de eficiencia. Energa mecnica a energa trmica: Es factible pero no prctico. Energa elctrica a energa trmica mediante un elemento de calefaccin: 100 % de eficiencia para un elemento de calefaccin. Energa elctrica a energa mecnica usando un motor elctrico: 50 a 95 % de eficiencia. Energa calorfica a energa elctrica a energa mecnica usando un motor: Eficiencia mxima del 40 %. Energa calorfica a energa elctrica usando termopares. Es factible pero no prctico. 8) Cmo pueden clasificarse las calderas? Acuotubulares: son aquellas calderas en las que el fluido de trabajo se desplaza por tubos durante su calentamiento. Son las ms utilizadas en las centrales LABORATIORIO DE TERMODINAMICA Pgina 17

Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de Aguatermoelctricas, ya que permiten altas presiones a su salida y tienen gran capacidad de generacin. Pirotubulares: en este tipo, el fluido en estado lquido se encuentra en un recipiente atravesado por tubos, por los cuales circulan gases a alta temperatura, producto de un proceso de combustin. El agua se evapora al contacto con los tubos calientes productos a la circulacin de los gases de escape. 9) Cules son las bombas que se usan para alimentar de agua calderas y generadores de vapor? Cul es el tipo ms usado? Bombas de 300 BHP 10) Qu es una mquina de vapor? Es una maquina que utiliza el vapor como fuente de energa para realizar un trabajo.


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Practica No. 7 Propiedades Termodinmicas del Vapor de AguaBIBLIOGRAFIAhttp://todoproductividad.blogspot.com/2009/09/eficiencia-energetica-en-losprocesos.html http://www.jmarcano.com/nociones/ciclo1.html http://es.wikipedia.org/wiki/Caldera_(m%C3%A1quina) Tippens Fsica Conceptos y Aplicaciones, sexta edicin, editorial Manrique Termodinmica, tercera edicin, editorial Alfaomega. Prez Crdenas Salvador Fundamentos de Termodinmica, pri editorial Limusa Noriega


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