uNIVERSIDAD nACIONAL DE INGENIERIA fACULTAD DE INGENIERIA MECANICALAB. DE ING. MECNICA I

I.Resumen ..................................................2II.Objetivo de la Experiencia ...................2III.Simbologa ..............................................2IV.Fundamento Terico...................................34.1. Estados de Vapor .................................34.2. Calormetros Separadores ...................44.3. Calormetros de Estrangulamiento.....6V.Equipo utilizado ....................................8VI.Procedimiento ......................................8VII.Resultados ..................................................9VIII.Conclusiones y Recomendaciones .............11IX.Apndice ................................................13 Bibliografa....................................................15

INTRODUCCINLa conversin del agua en vapor, trae consigo una serie de fenmenos estudiados por la Fsica, tales como: presin, fuerza, trabajo, potencia, etc.; sin cuyo conocimiento previo nos sera difcil definir y explicar el funcionamiento del caldero. Cuando hablamos de conversin de agua en vapor nos referimos a la generacin de vapor, fenmeno que se lleva a cabo en las calderas y cuyo provecho se utiliza tanto en las plantas trmicas, en la generacin de potencia como las plantas industriales. En lo que respecta a las unidades generadoras de vapor (calderos), se podra decir que su evolucin se viene dando desde el ao de 1919 hasta nuestros das, de modo que se pueda conseguir una unidad generadora de vapor eficiente. Al hablar de calderas nos estamos refiriendo como ya se dijo a su funcionamiento, al combustible que se utiliza, a la cantidad de aire que se necesita para quemar el combustible, a los tipos de calderas, a sus accesorios, al manejo y cuidado de las mismas, etc. Es as que cuando hablamos de un generador de vapor moderno tomamos en consideracin un caldero que rena las condiciones ms ptimas de funcionamiento, y cuya finalidad sea la de aprovechar al mximo la energa qumica del combustible y as lograr el objetivo (conversin de agua en vapor), que como ya se dijo es un requerimiento primordial en el campo industrial por sus mltiples aplicaciones.

OBJETIVOS La presente experiencia nos permite obtener el calor latente de vaporizacin del vapor de Agua. El objeto del ensayo sobre el cual se basa este informe, es el de hallar la calidad en una determinada muestra de vapor.

FUNDAMENTO TEORICOCALDERO MARCET:La experiencia en mencin se basa en la determinacin del calor latente de vaporizacin mediante la ecuacin de Clapeyron. La deduccin de la ecuacin mencionada se basa en una de las relaciones de Maxwell:(1)Entonces, considerando la ecuacin anterior en condiciones de equilibrio para las condiciones de evaporizacin, tenemos que T = C, y las condiciones de P y T no son funciones del volumen y los lmites de integracin estn definidos desde liquido saturado hasta vapor saturado, por:

.. (2)Donde: Es la pendiente de la curva que separa la fase liquida y vapor del diagrama P y T.Se puede aplicar este mismo principio en la fase Solido - Lquido.

Adems:De la Primera Ley de la Termodinmica:

As mismo, durante el cambio de estado del agua en vapor se lleva a cabo un proceso de P y T constante, entonces:

Donde: se conoce como funcin de GIBBS (G) y para dos fases en equilibrio: G = 0Entonces: y Haciendo la consideracin durante la Evaporizacin y a bajas presiones el vapor se comporta como gas ideal y que es despreciable comprado con tenemos: (3)(3) en (2): Ecuacin de CLAPEYRONDonde: p = presin saturada (psia)T = temperatura de saturacin (R)R= constante del vapor = 0.1102Es necesario acotar que esta ecuacin nos proporciona valores ms o menos exactos del calor latente de vaporizacin a vahas presiones y permite verificar su compatibilidad del con los datos experimentales.

Estados de Vapor:Una sustancia se halla en la fase de vapor si no se halla muy lejos de su fase lquida, de manera que si se le entrega mayor cantidad de energa dicha sustancia puede alcanzar al fase gaseosa. A diferencia de los gases que tienden a seguir las leyes de gases ideales, los vapores se apartan mucho de stas y sus propiedades termodinmicas deben ser obtenidas mediante tablas o grficas.

El diagrama anterior es un diagrama T-s general, vlido para una sustancia tpica hipottica. En ella podemos observar una zona de lquido sub-enfriado o lquido comprimido a la izquierda de la campana, y otra de vapor sobrecalentado, a la derecha de la misma. En estas dos zonas se considera que la sustancia es completamente lquida o completamente vapor. La zona dentro de la campana corresponde a un estado de transicin en la cual la sustancia se considera un vapor hmedo, es decir, si consideramos que la sustancia es calentada, parte de ella an no se ha vaporizado, o si consideramos que la sustancia es enfriada, parte de ella an no se ha condensado. As pues para la sustancia de esta campana se puede definir una calidad x, que es la fraccin (o porcentaje) en masa que es vapor con respecto a la masa total de sustancia, o bien la humedad y, que sera lo contrario, es decir la fraccin en masa que es lquido con respecto a la masa total de la sustancia:

La curva que forma la campana, a la izquierda del punto crtico recibe el nombre de curva de lquido saturado y representa el lugar geomtrico de todos los puntos donde el x de la sustancia es 0. A la derecha del punto crtico esta curva recibe el nombre de curva de vapor saturado (aqu x=1).

En materiales que no son amorfos, existe siempre cierta temperatura a la cual ocurre la ebullicin (comienzo de la vaporizacin) para una presin dada. Esta temperatura se llama temperatura de saturacin y ser constante a travs de todo el proceso de vaporizacin (de A a B en la grfica). La presin correspondiente se llamar presin de saturacin.

Calormetros Separadores:Este tipo de calormetro se utiliza especialmente con vapores que por sus caractersticas de presin o temperatura se suponen hmedos. Es estos casos la densidad del vapor es slo una puy pequea fraccin de la de las gotitas de agua en suspensin. As, a unos 20 kg/cm2, la densidad del agua saturada es aproximadamente cien veces mayor que la del vapor saturado. Si se invierte bruscamente la direccin del movimiento del vapor hmedo, las gotitas de agua tienden a seguir en la direccin primitiva y, por lo tanto, se separan del vapor.

En los calormetros separadores, el vapor de entrada se ve obligado a cambiar bruscamente de direccin. Las gotitas de agua se separan y se juntan en la cmara de separacin. Un nivel indica el nivel de agua en la cmara separadora y lleva una escala que permite leer la cantidad de agua presente. El vapor seco contina su camino por un pasaje que rodea la cmara de separacin y a travs de un pequeo orifico en el fondo del calormetro.

Cuando la presin en el lado de corriente abajo de un orifico es menor que alrededor del 55 por ciento de la presin inicial (para el vapor), el caudal en peso a travs de un orifico de rea dada es casi proporcional a la presin inicial. Debido a esta proporcionalidad, puede agregarse una escala auxiliar al manmetro utilizado para determinar la presin en la entrada del calormetro. Esta escala auxiliar indicar el flujo por unidad de tiempo (por lo general 10 minutos) a travs del orifico. Si el manmetro no cuenta con esta escala auxiliar, se puede condensar y pesar el vapor que pasa por el orificio. El contenido de humedad del vapor es

Donde:S = peso del vapor que pasa por el orificio en un intervalo de tiempo dado.M = peso del agua reunida en el mismo intervalo de tiempo.

De modo similar, el ttulo del vapor es:

A continuacin se muestra un tpico calormetro separador:

Errores comunes en la medicin con calormetros separadores:Para obtener resultados vlidos con el calormetro separador, hay que reducir al mnimo los siguientes errores o introducir las correcciones pertinentes:1. Prdidas de agua. Dado que la presin sobre el vidrio del nivel es la misma que en la tubera de vapor, esta alta presin tiende a causar prdidas a travs de las empaquetaduras. Dado que el contenido de agua del vapor es por lo general pequeo, no es necesario que la prdida sea muy grande para que los resultados se vean sensiblemente alterados. 2. Prdidas de calor. Aunque los efectos de prdidas de calor se reducen al mnimo en este calormetro niquelando la superficie externa y haciendo que el vapor separado acte como una camisa para la cmara de separacin, la prdida de calor es lo suficientemente importante como para hacer necesaria una correccin en las determinaciones de precisin del ttulo. La prdida de calor puede ser disminuida an ms cubriendo todo el calormetro con un gran espesor de aislante.3. rea del orificio. Cuando el caudal de vapor se determina por medio del manmetro, todos los factores (tales como oxidacin, picado o basuras alojadas en el orificio) que alteran el rea del orificio producen un error en el caudal medido.4. Volumen de agua incorrecto. Es posible que, cuando el vapor es sucio o aceitoso, el interior de la cmara de separacin se revista de una capa que altera sensiblemente su volumen efectivo.

Los calormetros de separacin, correctamente diseados y usados, permiten determinar el ttulo con una precisin mucho mejor que 1%. Esto es vlido para vapores que tienen un contenido normal de humedad y que se hallan a presiones no menores que 3,5 kg/cm2. Cuando la presin es muy baja (atmosfrica o menor), el volumen especfico del vapor es tan grande que las prdidas de calor pueden introducir un error importante debido a que, entonces, el caudal de vapor (masa) a travs del orificio resulta muy pequea.

Calormetro de estrangulamiento.La mayora de los vapores saturados dan lugar a un vapor sobrecalentado cuando se los somete a un proceso de estrangulacin. El estado de un vapor sobrecalentado est determinado por su presin y temperatura.

La estrangulacin causa normalmente una gran reduccin del caudal. As, la energa cintica antes del dispositivo de estrangulacin es muy baja y resulta despreciable. Durante la estrangulacin del fluido, hay un aumento de velocidad y, por tanto de energa cintica. No obstante, esta energa cintica desaparece a poca distancia del punto en que se produce la restriccin. El hecho de que el fluido conserve o no una cantidad apreciable de energa cintica dependen del rea trasversal del flujo, de la densidad del flujo y del caudal expresado en unidades de msa por unidad de tiempo. Es posible disear el dispositivo de estrangulacin de manera que no haya una variacin apreciable de la energa cintica.

Si el estrangulador est diseado de manera que no haya variacin neta apreciable de la energa cintica ni intercambio apreciable de calor, no hay entonces una variacin apreciable de entalpa y se puede considerar como un proceso de entalpa constante.

El calormetro de estrangulacin est previsto para producir la estrangulacin de vapores saturados, dando lugar as a vapores sobrecalentados cuya temperatura y presin pueden medirse. stas a su vez permiten la determinacin de las dems propiedades.

Al usar el calormetro de estrangulacin, se supone que la entalpa del vapor en el calormetro, tal como queda determinada por la presin y la temperatura es igual a la del vapor en la tubera. Si se mide la presin en la tubera, entonces se puede determinar la calidad del vapor que circula por sta: para una presin de saturacin dada se pueden obtener de tablas hf y hfg (entalpas de lquido saturado y diferencia de entalpas entre ste y vapor saturado, ambos para dicha presin). Luego:

hcalormetro - htubera = hf + x.hfgDe donde se puede obtener la calidad, a partir de la cual se pueden obtener todas las otras propiedades del vapor.

A continuacin vemos la disposicin tpica de un calormetro de estrangulacin:

Para la experiencia realiza se ha utilizado un calormetro universal, que consiste en la unin en serie de un calormetro separador seguido de un calormetro de estrangulamiento.

Calormetro

Equipo Utilizado Los equipos utilizados en la experiencia, fueron: Calormetro Universal (Calormetro Separador + Condensador). Termmetro 'Weston' escala 0 - 300c y 5 de aproximacin. Manmetro 'Tmey Birminham' escala 0-200 psi y 5 psi de aproximacin. Manmetro de mercurio tipo Tubo U. Probeta de 500 ml aproximacin 50 ml.PROCEDIMIENTOExperiencia 1:1. Regular la vlvula de admisin de vapor de agua hasta que la presin en el punto de entrada al calormetro sea 20 PSI aprox.2. Tomar los valores de la temperatura de admisin del vapor de agua (T1); presin y temperatura en el estrangulador (T3 y P3); el flujo de masa en el separador y el volumen total luego del condensador.3. Repetir el paso anterior para presiones no mayores a 60 PSI.

Separador+estrangulador

Aqu nuestro profesor explicando el procedimiento

Aqu se observa la probeta y el termmetro Weston

Experiencia 2:

4.- tomamos lecturas descendentes tanto de p como de T, as como se hizo en el punto anterior para la forma ascendente, hasta llegar a 20 psi.5.-Luego hacer un diagrama de P vs T, tanto en forma descendente; para luego trazar la curva promedio; tal como muestra la fig.

Caldero marcet +medidor de presin

Caldero marcet +termmetro

CLCULOS Y RESULTADOS

Caldero MarcetA nuestro grupo le toco hacer la medicin de temperaturas en intervalos iguales de presin, mientras esta descenda. Tambin recopilamos los datos de ascenso del otro grupo.1RA MEDICIN (ascenso)Insertamos los datos en Microsoft Excel y nos da la grafica de temperatura en Celsius vs presin en kPa.

MEDIDA DE ASCENSO

P(kpa)T

689.475163

551.58159

413.685150

257.49139

206.84130.5

137.895121.5

GRAFICA I: PRIMERA MEDIDAAqu se muestran Los datos de presin en el eje y y temperatura en el eje x.

Tomamos los puntos dispersos y los ajustamos formndose la siguiente funcin y su ecuacin se muestra en la grfica.

2DA MEDICIN (descenso)De la misma manera pasamos los datos de presin de psi a kPa y la temperatura en Celsius, ingresamos los datos a Excel y obtenemos la siguiente grfica.

MEDIDA DE DESCENSO

P(kpa)T

344.737885

413.685124

551.58148

698.475157

827.37164

GRAFICA II: SEGUNDA MEDIDADe la misma manera anterior ubicamos los datos en un plano cartesiano.

Le damos un ajuste de curvas a estos puntos, obtenindose la siguiente grfica con su respectiva ecuacin cuadrtica.

Luego con las dos graficas obtenidas tanto como en el ascenso como en el descenso de presin. Entonces ahora podemos obtener la grfica promedio de ellas, para poder analizar el calor latente del agua a diferentes condiciones de presin y temperatura de saturacin.

Ahora usaremos la ecuacin de CLAPEYRON para poder hallar el calor latente: P = 0.208T2 - 48.13T + 3052 Ahora pasamos la ecuacin en unidades de KELVIN.P = 0.208(T-273)2 - 48.13 (T-273) + 3052 Ahora derivamos: T: En KelvinR=0.46152 Ahora reemplazaremos esta ecuacin para los datos de presin obtenidos en el laboratorio.El calor latente experimental:

PRESIONES (KPa)

689.475551.58413.685257.49206.84137.895

T (C)exp163159150139130.5121.5

terico164.34155.59144.8128.38121.3108.76

hfg (KJ/kG)exp2093.42202.12316.322398.122337.082657.4

terico2068.342096.72130.212178.7821992233.56

% DE ERROR1.21%5.03%8.74%10.07%6.28%18.98%

Calormetro universal:

P2T1P3T3V4

Nro.MercurioTotal

psi manpsi absFCmmHgFCml

135.350.00165.0073.884015.46215101.661110.105170068

225.34021098.881815.0411546.111900.102312925

315.33021098.88514.79103.539.7221730.100612245

45.32020596.11714.8289032.222120.100870748

OBSERVACIONES Los posibles valores errneos de los datos para el clculo de la calidad, es el error de medicin debido a una separacin incompleta del agua y vapor, calibracin previa del manmetro y el termmetro, as tambin; La mezcla de vapor seco con gotitas de agua en suspensin en virtud de la velocidad del vapor, no es una mezcla homognea, en particular con bajas velocidades de vapor. En una tubera horizontal, con baja velocidad de vapor, las gotitas de agua se separan en cierta medida, y descienden al fondo de la tubera. De esta manera, resulta muy difcil tomar una muestra realmente representativa del vapor. Para obtener resultados validos en el calormetro separador se debi reducir al mnimo la prdida de agua: Dado que la alta presin tiende a causar prdidas a travs de las empaquetaduras. El contenido de agua del vapor es por lo general pequeo, no es necesario que la prdida sea muy grande para que los resultados se vean sensiblemente alterados. La calidad del vapor es raramente uniforme a travs de la tubera. Los resultados obtenidos con los datos en este ensayo son exitosos ya que se obtuvieron calidades mayores a 90 %, lo que nos da una idea del buen estado de la caldera generadora de vapor ptimo para la utilizacin, por ejemplo en turbinas.

CONCLUSIONES La ecuacin de CLAPEYRON permite determinar el calor latente con una mejor precisin para presiones altas. A medida que disminuye la presin, el error en el clculo del calor latente con la ecuacin de CLAPEYRON se hace ms grande. Esto se debe principalmente a que para menores temperaturas, la diferencia entre la temperatura real y la experimental se hace ms grande. El purgar el aire del caldero MARCET se debe a que con lo que debemos trabajar es con el vapor de agua, ste debe estar limpio de impurezas, ya que el aire posee alto grado de impurezas y aparte tiene otros gases como son el nitrgeno, oxgeno, vapor de agua, anhdrido carbnico, etc.; en mayor cantidad y otros gases en menor cantidad. Al utilizar el mtodo grfico, para hallar la pendiente de la curva Presinvs.Temperatura hemos incurrido en errores inevitables ya que no existe precisin. Se uso agua de cao que presentan impurezas lo que afectar el valor de hfg, es uno de los motivos por el cual se obtiene un porcentaje de error. Se mejorara los resultados trabajando con sustancias y equipo convenientes tales como el mantenimiento constante del caldero y trabajando con agua destilada para evitar la formacin de sarro en el caldero. La calidad del vapor de agua que llega por la tubera aislada trmicamente desde el caldero del laboratorio es de 92%. Existen prdidas de presin y temperatura en la tubera, que ocasionan que el vapor de agua de la caldera pierda calidad. Estas prdidas pueden ser ocasionadas por envejecimiento de las tuberas y deficiencias en el aislamiento. Debido a que siempre existirn prdidas en las tuberas, el vapor de agua que sale de una caldera debe encontrarse sobresaturado, para que de esta manera no haya presencia de agua lquida en las tuberas.Recomendaciones. El aislamiento trmico de las tuberas de salida del caldero debe ser reforzado. Se recomienda revisar el calormetro combinado, el cual posee diversas fugas que introducen error, especialmente en pruebas a alta presin. Para mejor toma de datos, se insta a la automatizacin de la caldera y equipos de medicin.

BIBLIOGRAFA: Avallone, Eugene A. "Manual de Ingeniero Mecnico". Tomo 1 y 2. Novena Edicin. Mc Graw Hill. Mexico, 1996.

Bolinaga, Juan. "Mecnica elemental de los fluidos". Fundacin Polar. "Universidad Catlica Andrs". Caracas, 1992.

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http:// www.wanadoo.com. visitado el 27/04/2010.

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