termo 7 fes aragon(mecanica)

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propiedades termicas del vapor de agua

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  1. 1. LABORATORIO DE TERMODINÁMICA UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO. FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES DE ARAGÓN. Laboratorio de Termodinámica Práctica numero : Propiedades térmicas del vapor de agua. Alumno: Fernández Cano Veronico David Ricardo. No. de cuenta: 41205778-6. Grupo: lunes 4:00-5:30 Ciclo escolar: 2014-1 Fecha de realización: 14102013. Fecha de entrega: 21/10/2013.
  2. 2. LABORATORIO DE TERMODINÁMICA Practica no. 7: propiedades térmicas del vapor de agua. Objetivo: Determinar las propiedades térmicas a partir de un calorímetro de estrangulamiento. Actividades: 1. 2. 3. 4. Determinar la presión absoluta en la caldera y en el calorímetro. Calcular las propiedades termodinámicas en el calorímetro. Obtener la calidad de vapor en la caldera. Calcular las propiedades termodinámicas del vapor en la caldera. Equipo y material: Planta de vapor marca “plint”. Termómetro de 0 a 200ᴼ C. Barómetro. Sustancias: Agua destilada. Aspectos teóricos: Generalidades acerca de los diagramas de fase: Información que podemos obtener de los diagramas de fase: 1. Conocer que fases están presentes a diferentes composiciones y temperaturas bajo condiciones de enfriamiento lento (equilibrio). 2. Averiguar la solubilidad, en el estado sólido y en el equilibrio, de un elemento (o compuesto) en otro. 3. Determinar la temperatura a la cual una aleación enfriada bajo condiciones de equilibrio comienza a solidificar y la temperatura a la cual ocurre la solidificación. 4. Conocer la temperatura a la cual comienzan a fundirse diferentes fases. La ebullición y la congelación son ejemplos de cambios de fase que ocurren sin ningún cambio en la composición, es decir la tendencia del sistema a temperatura y presión constantes a desplazarse hacia valores menores de la función de Gibbs de un sistema es la misma que el potencial químico, de forma que la tendencia de cambio es en la dirección de la disminución del potencial químico,
  3. 3. LABORATORIO DE TERMODINÁMICA esto es, estas formas alternas de expresar la dirección se originan todas en la tendencia del universo a un desorden mayor, por lo que la entropía del mismo aumenta. La función de Gibbs y el potencial químico no son otra cosa que la entropía total encubierta. Por lo tanto determinar los puntos de equilibrio para un sistema puro nos permite conocer su comportamiento en el estado puro y detectar fácilmente si un sistema está conformando una solución debido a la aparición de variaciones de sus propiedades físicas respecto al estado puro. El diagrama de fase. Cualquier sustancia puede existir en más de un estado o fase de la materia. El equilibrio entre las fases es dinámico; esto es, que existe una transferencia continúa de partículas de una fase a la otra. El equilibrio en este sistema dinámico se presenta cuando la velocidad de transferencia entre las fases es similar. El cambio de la materia de un estado a otro se denomina cambio de fase. Las conversiones de un sólido a líquido (fusión), de un sólido a gas (sublimación), o de un líquido a gas (vaporización) son todos procesos endotérmicos; es decir, que la entalpía de la fusión, sublimación o vaporización es positiva. El proceso inverso, la conversión de un líquido a sólido (congelación), de un gas a sólido (deposición) o de un gas a líquido (condensación) son todos procesos exotérmicos, en esta forma los cambios de entalpía para estos procesos son negativos. El estado físico de una sustancia depende no sólo de las fuerzas de atracciones intermoleculares inherentes, sino también de la temperatura y la presión. Ahora que hemos examinado cada estado, podemos concluir nuestra discusión considerando la temperatura y la presión a la cual las diferentes fases de una sustancia pueden existir. Tal información se puede resumir en un diagrama de fase. La forma general para este tipo de diagramas para una sustancia simple que presenta tres fases es muy similar a la del agua, la cual se representa por la figura siguiente: Este diagrama contiene tres curvas importantes, cada una de las cuales representa la condición de temperatura y presión a la cual las diferentes fases pueden coexistir en equilibrio. La línea de azul es la curva de la presión de vapor del líquido. Representa el equilibrio entre las fases líquida y gaseosa a diferentes temperaturas. Esta curva termina en el punto crítico. La temperatura en este punto es la Temperatura crítica; la temperatura arriba de la cual la sustancia no puede existir como líquido
  4. 4. LABORATORIO DE TERMODINÁMICA está relacionada con la presión que se le aplique. A esta temperatura las fases líquidas y gaseosas se vuelven indistinguibles. La presión a temperatura crítica es la presión crítica. Más allá del punto crítico la sustancia se describe como un líquido supercrítico. El punto en la curva azul en donde el equilibrio de la presión de vapor es 1 atm, es el punto de ebullición normal de la sustancia. La línea roja representa la variación en la presión de vapor del sólido en función de la temperatura. La línea de verde representa el cambio en el punto de fusión del sólido con el aumento de presión. Esta línea se inclina ligeramente hacia la derecha a medida que la presión aumenta; la mayoría de los sólidos se expanden por encima de su punto de fusión y aumentando la presión se favorece la formación de la fase sólida más densa. El punto triple se da cuando la presión de vapor de la forma sólida de una sustancia es igual a la presión de vapor de sus estado líquido, las tendencias a escapar (fugacidades) de los dos estados son idénticas. En este caso, no hay tendencia a cambiar de un estado a otro, y ambos estados pueden existir juntos en equilibrio con su vapor, durante un periodo indefinido de tiempo. Punto triple de una sustancia. El punto triple es aquel en el cual coexisten en equilibrio el estado sólido, el estado líquido y el estado gaseoso de una sustancia. Se define con una temperatura y una presión de vapor. Sabemos que las moléculas de las sustancias vibran. En el estado sólido, lo hacen sin moverse de su lugar. En el líquido, se mueven libremente chocando unas con otras. Y en el estado gaseoso también se mueven libremente, pero con más violencia, es por eso que las colisiones hacen que estén más separadas y los gases ocupen tanto volumen, a diferencia de los líquidos y sólidos. Punto triple del agua. La única combinación de presión y temperatura a la que el agua, hielo y vapor de agua pueden coexistir en un equilibrio estable se produce exactamente a una temperatura de273.1598 ᴼ (0.0098°C) y a una presión parcial de vapor de agua de 611.73 pascales (6.1173 K milibares, 0.0060373057 atm, 4.6 torr). En ese momento, es posible cambiar el estado de toda la sustancia a hielo, agua o vapor arbitrariamente haciendo pequeños cambios en la presión y la temperatura. El agua tiene un inusual y complejo diagrama de fase (aunque esto no afecta a las consideraciones generales expuestas sobre el punto triple). A altas temperaturas, incrementando la presión, primero se obtiene agua líquida y, a continuación, agua sólida. Por encima de 109 Pa aproximadamente se obtiene una forma cristalina de hielo que es más denso que el agua líquida. A temperaturas más bajas en virtud de la compresión, el estado líquido deja de aparecer, y el agua pasa directamente de sólido a gas. A presiones constantes por encima del punto triple, calentar hielo hace que se pase de sólido a líquido y de éste a gas, o vapor. A presiones por debajo del punto triple, como las encontradas en el espacio exterior, donde la presión es cercana a cero, el agua líquida no puede existir. En un proceso conocido como sublimación, el hielo salta la fase líquida y se convierte directamente en vapor cuando se calienta.
  5. 5. LABORATORIO DE TERMODINÁMICA Desarrollo: 1. Revise que haya suministro de agua en la red. 2. Asegúrese que el nivel de agua en la caldera sea el adecuado, verificando en el indicador de nivel que sea el máximo permisible. 3. Una vez que el equipo se encuentre conectado al toma corriente; abra la válvula del sistema de agua de enfriamiento. 4. Vigile durante el desarrollo de la práctica que no falte el suministro de agua para el condensador. 5. Acciones los interruptores de las resistencias eléctricas, estos se encuentran en el panel del equipo. 6. Espere a que la temperatura y la presión empiecen a incrementarse, cuando esto suceda, abra la válvula de control de flujo de vapor para purgar el aire que se encuentra dentro de la caldera. 7. Cierre la válvula de control del flujo de vapor y espere a que la presión de la caldera se incremente hasta 350KN/m^2. Abra la válvula de control de flujo de vapor y cuando la presión descienda a 300KN/m^2, tome las lecturas de presión y temperatura en la caldera
  6. 6. LABORATORIO DE TERMODINÁMICA 8. 9. 10. 11. 12. 13. así como las lecturas de la presión y temperatura en el calorímetro. Anótelo en la tabla 7.1A. La presión de la caldera se controla aumentando y disminuyendo la energía suministrada, por lo que si la presión excede a mas de 300KN/m^2, desactive una de las resistencias, cuando la presión empiece a disminuir, active nuevamente la resistencia. Al finalizar la toma de las medidas apague las resistencias. Abra las válvulas de control de la caldera y el calorímetro para que el vapor se escape. Una vez que ya no salga vapor, cierre la válvula del agua de enfriamiento. Desconecte el equipo del suministro eléctrico. Obtenga la presión atmosférica en el barómetro del laboratorio. Tabla de lecturas. Tabla 7.1A Concepto Lectura Caldera Presión (KPa) Temperatura (ᴼ C) 300 32 Calorímetro Presión (KPa) Temperatura (ᴼ C) 270 92 Atmosfera Presión (mm Hg) 578
  7. 7. LABORATORIO DE TERMODINÁMICA Memoria de cálculos. Presión absoluta de la caldera: Se convierte la presión atmosférica a Pa, 578mm Hg =77060.35Pa Temperatura del calorímetro= 92ᴼ presión atmosférica=.7706bar C; El valor aproximado de entalpia con las tablas de agua saturada (liquido-vapor), se obtiene lo siguiente para la entalpia en KJ/Kg: hf= 397.96; hfg=2270.2; hg=2268.1 Usando la siguiente fórmula: Para determinar la calidad del vapor en la caldera: Tablas de resultados: Tabla 7.1A Concepto Caldera Tabla 7.2B Concepto (unidades) calorímetro Símbolo Pcal h2 Unidad KPa V2 .1 Presión absoluta 77.36 S2 7.416 u2
  8. 8. LABORATORIO DE TERMODINÁMICA Tabla 7.3B concepto unidades Vf1 Vg1 Vgl1 caldera 1.694 .4623 hl1 1.232 hgl1 Sl1 Sgl1 54.994 7.3538 X1 % .4137 Tabla 7.4B Concepto (unidades) S1 V1 caldera u1 h1 1.25 Cuestionario No. 7 1. ¿Cuáles son los problemas que se pueden presentar en la operación de la caldera? Aunque las calderas normalmente están equipadas con una válvula de alivio de presión, si la caldera no puede resistir la presión, la energía que contiene el vapor se libera instantáneamente. Esta combinación de metal explotando y vapor sobrecalentado puede ser extremadamente peligrosa. 2. ¿Qué precauciones deben de tomarse al encender la caldera? Las calderas deben siempre conectarse correctamente al toma corriente, y nunca se debe inyectar agua fría a un sistema caliente. Cambios súbitos de temperatura pueden torcer o quebrar la caldera. Debido a que muchas calderas queman gas natural, combustible diesel o petróleo, es necesario tomar precauciones especiales. Los operadores de calderas deben asegurar que el sistema de combustible, incluyendo las válvulas, tuberías y tanques, estén funcionando correctamente y sin fugas. Para prevenir explosiones en la caldera, es imperativo que los operadores purguen la caldera antes de encender el quemador. Los trabajadores deben verificar la relación de aire a combustible, la condición del tiro y la llama para asegurarse de que ésta no sea demasiado alta ni que eche humo. Los sistemas de ventilación también deben inspeccionarse y mantenerse para asegurar que los gases producto de la combustión no se acumulen en la sala de calderas. 3. ¿Cómo se mide la presión absoluta en la caldera? Sumándole la presión atmosférica a la presión del manómetro. 4. ¿Qué relación existe entre la variación del peso del agua con el aumento de temperatura en una caldera para su buen funcionamiento? Según la fórmula: , el peso se relaciona con el volumen especifico; ya que:
  9. 9. LABORATORIO DE TERMODINÁMICA , entre mayor es el peso el volumen especifico disminuye al igual que la entalpia y por consiguiente la temperatura aumenta. 5. ¿Qué sucede cuando la vaporización del agua tiene lugar en un recipiente cerrado y se le aumenta su temperatura? La presión dentro del recipiente aumenta, este es uno de los principios de la hoya de presión que se usa para cocinar. 6. ¿A qué se debe la circulación térmica del agua? De un ejemplo. La cantidad total de agua se a mantiene constante en el planeta debido a la ley de la conservación de la masa. Así se encuentra en alguna de sus tres fases, que siguen el ciclo mantenido por la energía solar y por la fuerza de gravedad. 7. ¿En cuantas formas se transmite el calor en una caldera? De energía eléctrica a energía mecánica, de energía mecánica a energía térmica, de energía eléctrica a energía térmica y de energía calorífica a energía eléctrica. 8. ¿Cómo pueden clasificarse las calderas? Es común encontrar una clasificación según la circulación de fluidos dentro de los tubos de la caldera, la presión de trabajo dentro de la caldera, la producción de calor que generan y según el combustible que utilizan. 9. ¿Cuáles son las bombas que se usan para alimentar el agua, calderas y generadores de vapor, y cuál es el tipo más usado? Al observar cómo se controla el nivel de agua en la caldera podremos ver si usar una bomba continua o intermitente. El flujo intermitente resulta de arrancar la bomba si el nivel es bajo en la caldera y detener la misma a un nivel alto. En el caso de operación continua, la alimentación de agua a la caldera es controlada por una válvula modulante que se abre y cierra según la demanda a fin de mantener fijo el nivel de agua en la caldera. Para la presión requerida: Cuando se bombea agua directamente a la caldera, se requiere superar la presión en la misma, para ello la presión entregada por la bomba debe ser superior a la que hay en la caldera, algunos fabricantes recomiendan adicionar 10% al valor de presión para usarla en la elección de la bomba, sin embargo es muy recomendable realizar un cálculo de la altura dinámica total (presión en la caldera sumada a las pérdidas en tuberías, accesorios y la diferencia de alturas entre el nivel lleno en la caldera y el nivel mínimo en el tanque de succión). Si hay una válvula modulante en la descarga de la bomba, es necesario adicionar como mínimo de 20 a 25 PSI. Para la temperatura del agua que se bombea:. Erróneamente se suele tomar la temperatura del agua en la caldera, pero esto lleva sólo a sobredimensionar la bomba, lo recomendable es medir la temperatura del agua al ingreso de la bomba, la mayoría de las bombas pueden lidiar con
  10. 10. LABORATORIO DE TERMODINÁMICA temperaturas del orden de 110ºC. y hay otras que soportan mayores temperaturas pero requieren sistemas auxiliares de refrigeración, lo cual hace más costosa a la bomba. El caudal o la cantidad de agua que se requiere bombear a la caldera dependerán de la taza de evaporación de la misma. Como regla práctica, el caudal sería dos veces la tasa de evaporación. En una aplicación a control modulante se puede considerar el caudal 1.3 veces la tasa de evaporación y un flujo adicional de recirculación necesario para garantizar que la bomba entregue un flujo mínimo (en total 1.5 veces la tasa de evaporación). EJEMPLO: Tenemos una caldera de 200BHP con control on-off 1 BHP = energía necesaria para evaporar 15.65 kg de agua a 100°C durante 1 hora Densidad del agua a 100°C = 958.4 kg/m3 Entonces la tasa de evaporación de agua en la caldera de 200BHP es: Tasa Evaporación = 200 x 15.65 / 958.4 = 3.266 m3/h Como se trata de un sistema on-off multiplicamos por 2: Caudal Bomba = 3.266 x 2 = 6.532 m3/h 10. ¿Qué es una máquina de vapor? Se le llama máquina de vapor a las máquinas, que con motores de combustión externa, trabajan para convertir la energía térmica (la fuerza del calor) del agua hirviendo, en energía de tipo mecánica. El calor resultante de la quema de ciertas cantidades de carbón hace hervir el agua que se convierte en vapor. Ese vapor es capturado y dirigido para alimentar una serie de elementos que ponen en marcha la máquina. Conclusiones. Esta práctica resulto muy difícil de realizar los cálculos correctamente, debido a que no se realizaron las especificaciones adecuadas para poderlo llevar a cabo, y a las dificultades de conseguir las tablas de vapor necesarias para tales cálculos. También se presentaron fallas a la hora de tomar las mediciones de la presión en el manómetro del calorímetro, y por consiguiente se tuvo que poner un valor aproximado. De forma teórica se puede concluir que esta práctica forma parte de la aplicación de la primera ley de la termodinámica, que se enuncia de la siguiente manera: “El cambio de calor es proporcional al cambio de energía interna mas el cambio de trabajo.” También se uso la 2da ley de la termodinámica que nos habla de la entropía, para capacidad calorífica a volumen constante:
  11. 11. LABORATORIO DE TERMODINÁMICA Y para capacidad calorífica a presión constante: Igualmente en la teoría falto explicaciones por parte del profesor para saber cómo usar correctamente las formulas para esta práctica, ya que en el manual no están bien explicadas con todos sus subíndices y esto genera confusión. En esta práctica no hubo que tomar precauciones por parte de los alumnos debido a que el equipo ya estaba en funcionamiento y el manejo se hiso en forma grupal, también se observo, al tocar el vapor con la palma de la mano que la calidad del vapor no era la deseada porque este se encontraba mas húmedo de lo que se requería. Bibliografía. Encyclopedia of Energy´Daniel N. Lapedes Editor en Jefe McGraw-Hill Book Company, USA 1976 Steam / ist generation and use´The Babcock & Wilcox Companythirty-ninth edition, USA 1978 Virgil Moring Faires Termodinámica´4ª edición, México, 1982 W.H. Severns, H.E. Degler, J.C. Miles La producción de energía mediante vapor, aire, o gas´Editorial Reverte mexicana S.A., México D.F. 1991 Francis F Huang Ingeniería Termodinámica´Compañía Editorial Continental, S.A. de C.V., 2ª Edición,México 1994 M.J. Moran, H.N. Shapiro Fundamentos de termodinámica técnica´,Editorial Reverté S.A., Tomos 1 y 2, España, 1993M. Lucini. "Turbomáquinas de vapor y de gas", Editorial Labor, 3° Edición, Barcelona 15España.

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