Laboratorio de Mecánica de Fluidos I Calidad de vapor Ayo Cedeño Steven Santiago
Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del Litoral (ESPOL) Guayaquil - Ecuador
[email protected] Resumen Se llevó a cabo la práctica de calidad de vapor en el laboratorio de termo fluidos de la Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción. La práctica fue desarrollada con el fin de determinar la calidad del vapor generado por la caldera, mediante el uso de un calorímetro de estrangulamiento. Se consiguió comprender y conocer el funcionamiento de la caldera y sus elementos, además de conseguir una familiarización con los instrumentos y equipos del laboratorio. Para lograr los objetivos planteados se hizo uso de lo aprendido en el curso teórico de termodinámica, tales como el uso de las tablas de vapor de agua y conceptos básicos como entalpia y calidad. Finalmente, luego de tomar los datos respectivos se llegó a que la calidad del vapor es del 98%. Palabras Clave: Caldera, calidad de vapor, calorímetro de estrangulamiento, entalpía
Abstract It was carried out the practice of steam quality in the thermo fluid laboratory of the Faculty of Engineering in Mechanics and Production Sciences. The practice was developed in order to determine the quality of the steam generated by the boiler, through the use of a throttling calorimeter. calorimete r. It was possible to understand and know the operation of the boiler and its elements, in addition to getting familiar with the instruments and equipment of the laboratory. In order to achieve the proposed objectives, we made use of what was learned in the theoretical course of thermodynamics, thermodynam ics, stories such as the t he use of water vapor tables and basic concepts such as enthalpy and quality. Finally, after taking the relevant data we reached 98% steam quality. Key Words: Boiler, steam quality, strangulation calorimeter, enthalpy
Introducción
Para la presente practica se desea determinar la calidad de vapor de agua obtenido en la caldera, para conseguir esto, se hará uso de un calorímetro de estrangulamiento. La expansión de estrangulamiento hace referencia a la
expansión del vapor de forma adiabática, un proceso adiabático es aquel en el cual el sistema analizado no intercambia calor con su entorno, además si el proceso es reversible se dice que el proceso es isentálpico. El funcionamiento del calorímetro de estrangulamiento se basa en la incorporación de un orificio el cual sirve para que se desarrolle la expansión de la muestra de vapor hacia una cámara donde la temperatura del vapor que se ha expandido será medida a presión
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atmosférica. Los cambios de velocidades en los estados tanto inicial como final son despreciables dando lugar a que la variación de la energía cinética sea cero (ΔEK=0), de igual forma en el proceso de estrangulamiento se tiene que la entalpia del estado inicial y el estado final es igual ( ). Para este proceso no se puede decir que se trate de un proceso isentálpico debido a que no es un proceso reversible.
ℎ = ℎ
Sustituyendo 4 en 3 tenemos que:
ℎ = ℎ + 0.48∆ 48∆ 5 ∆ representa los grados de Donde supercalentamiento supercalen tamiento en el punto 2: ∆ = − 6 Una vez obtenido el valor de ℎ se vuelve a hacer uso de la ecuación (2).
Equipos e Instrumentación Cuando una muestra de vapor a alta presión es estrangulada a una menor presión, el vapor se vuelve sobrecalentado, en ese instante se puede medir la presión y temperatura de la cámara del calorímetro y así mediante el uso de las tablas de vapor supercalentado sería posible hallar la entalpia del estado final ( ). Para el cálculo de la calidad se hace uso de las tablas de vapor de agua donde se tomarán los valores de la entalpia para liquido saturado y vapor saturado ( correspondientes a la presión de saturación para una temperatura dada, y finalmente se utiliza la relación:
ℎ
ℎ
ℎ
-Caldera pirotubular Tabla 1 Especificaciones caldera
Nombre:
ESPECIFICACIONES Caldera de 10 bar
Marca: Serie: Modelo: Código Espol: Puntuación caldera: Suministro eléctrico: Presión de trabajo:
Thompson G-2326 Minipac 3 2971 1000 lb/h 440 V 150 PSI
ℎ = ℎ + (ℎ − ℎ ) 1 = ℎℎ − − ℎℎ 2
Para una obtención de la calidad con mayor precisión se puede hacer uso del calor especifico del vapor de agua a presión constante, se sabe que la diferencia de entalpia para el estado de vapor saturado y el estado de sobrecalentado sobrecalen tado viene dada por:
∆ℎ = ∆ 3 Donde el toma el valor de: 4 = 0.48 0.48 −
Caldera pirotubular Ilustración 1 Caldera pirotubular
Una caldera es una maquina con la función funció n de generar vapor de agua, esto se consigue mediante el calentamiento de un fluido en estado líquido el cual pasa a convertirse en vapor. El líquido se encuentra en un depósito el cual es atravesado por tubos por los cuales circula calor y así se consigue calentarlo para que cambien su fase.
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-Barómetro Luego de encender la caldera, la muestra de vapor circula dentro del calorímetro de estrangulamiento y saldrá vapor a la atmosfera el cual es peligroso y se debe tener cuidado del contacto ya que se encuentra a
Barómetro arómetro Ilustración 2 B
Es un instrumento que se utiliza para medir la presión atmosférica, el barómetro más utilizado es el barómetro de mercurio. mercurio.
-Calorímetro de estrangulamiento
temperaturas temperatura s elevadas. ySeasí permite quepartes el flujo un estado estacionario todas las delalcance fluido tengan la misma temperatura, una vez conseguido esto se procede a tomar las lecturas del calorímetro para la temperatura. Se recomienda que el vapor tenga como mínimo 10°C de supercalentamiento en el calorímetro, y además el calorímetro debe estar totalmente asilado para conseguir establecer las condiciones de proceso adiabático. El proceso a seguir consiste en anotar los valores de la presión y temperatura de operación de la caldera, a continuación, abrir la válvula para permitir que el vapor circule hacia los calorímetros, se debe tomar la presión antes antes de ingresar al ccalorímetro, alorímetro, luego se debe esperar hasta alcanzar el equilibrio térmico, una vez alcanzado el equilibrio térmico se debe esperar a que la presión disminuya hasta un valor estable y entonces se toman las lecturas de presión y temperatura temperatura..
Resultados
Tabla 2 Datos del laboratorio
Presión atmosférica Presión atmosférica Temperatura ambiente Temperatura ambiente Calorímetro Ilustración 3 Calorímetro
Este es el equipo utilizado para pasar al vapor saturado a un estado de vapor sobrecalentado. Nos da el valor de la temperatura en °F y °C, y también la presión de la cámara cámara en psig.
Procedimiento Experimental
756 mmHg 14.62 psia 28.33 °C 83 °F
La presiónun atmosférica laboratorio fue de medida mediante barómetro,enyeltiene un valor 756 mmHg o 14.62 psia. La temperatura ambiente se la obtuvo mediante un termómetro y tiene un valor de 83°F o 28.33 °C. Tabla 3 Datos de la caldera
Presión de caldera Presión de caldera Temperatura de caldera Temperatura de caldera
8.1 Bar 117.48 psia 180 °C 356 °F
3
La presión de la caldera es igual a 8.1 bar o 117.48 psia, por otro lado, la temperatura de la caldera es de 180 °C o 356°F.
Tabla 4 Calorímetro de estrangulamiento
Nume ro de lectur a 1
P 2 (psi g)
P 2 (psi a)
T2 (°F)
13.8
28.5
2
13.2
27.9
3
12.8
27.5
4
9.4
24.1
284. 0 283. 6 283. 8 280. 4
Tsat 2
(°F) 247. 3 246. 0 245. 2 231. 5
Tomando los datos de P2 (psig) y T 2 (°F) del calorímetro se procedió a llenar la tabla con los valores de saturación. Tabla 5 Resultados
Lectura
h2 (Btu/lbm)
Calidad
1
1155.4
0.991
2
1153.2
0.989
3
1151.7
0.988
4
1145.9
0.987
En la tabla 5 tenemos la entalpia, la cual es determinada mediante las tablas de vapor supercalentado, y los valores de calidad obtenidos para cada lectura.
Análisis de los Resultados
Los primeros resultados los encontramos en la tabla 4, donde encontramos mediante interpolación la temperatura de saturación para el agua, sencillamente vemos que los valores obtenidos son correctos ya que
la temperatura a la cual se encuentra el vapor supercalentado es mayor que la temperatura de saturación. Por otro lado, al momento de obtener la calidad, podemos apreciar que los valores obtenidos son altos, tal y como se describe en el funcionamiento del calorímetro por elevadas. estrangulamiento el cual sirve para hallar calidades elev adas. Usando los valores de la tabla de calor específico para hallar la calidad nos da un valor de X=0.979, valor que dista alrededor del 1% de los valores que se obtuvieron mediante los cálculos.
Conclusiones y Recomendaciones
En conclusión, se determinó la calidad de vapor del agua generado en la caldera pirotubular, la cual nos dio un valor promedio de 0.988, que presenta un error del 1% respecto al valor esperado que es de 0.979. Mediante la práctica se logró comprender el funcionamiento del calorímetro de estrangulam estrangulamiento, iento, caldera y barómetro, además de utilizar las tablas del vapor de agua. Como recomendación, considero importante el excelente dominio de las tablas de vapor de agua saturada y vapor de agua supercalentado, además del conocimiento de la interpolación lineal que será de gran ayuda para determinar valores de datos específicos. Otra consideración a tener en cuenta es que se debe esperar un tiempo ideal para que el sistema de vapor de agua en el calorímetro llegue al equilibrio para así evitar tomar medidas erróneas.
Referencias Bibliográficas/ Fuentes de Información
Bibliografía ESPOL. (s.f.). Formato para reportes de laboratorio. laboratorio. ESPOL. ESPOL. (s.f.). Guia de calidad de vapor en la caldera . . Guayaquil: Espol . Geovanny, P. (s.f.). scribd. scribd. Obtenido de https://es.scribd.com/doc/291335945/Informe-
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Calidad-de-vapor-en-laCaldera-Termodinamica-II Sonntag. (s.f.). Fundamentals of thermodynamics. Michigan: thermodynamics. Wiley. Anexos
Ilustración 5Tabla 5Tabla de vapor vapor supercalentado supercalentado
Cálculos de calidad Tomando los datos de P 2 (psig) y T2 (°F) del calorímetro se procedió a utilizar la tabla para encontrar la temperatura de saturación para cada una de las lecturas. Luego se buscó la entalpia para cada temperatura de saturación, la cual es determinada determinada mediante las tablas de vapor supercalentado, y con esto usando la ecuación (2) y los datos de la tabla 4 se obtiene la calidad. Para determinar los valores de temperatura de saturación de la tabla 4 usamos interpolación lineal mediante los datos que encontramos en las tablas de agua saturada. Por otro lado, para hallar los valores de la tabla 5, de entalpia utilizamos interpolación con los datos que se encuentran en la tabla de vapor de agua sobrecalentado sobrecalen tado y los valores de presión en psia. Ilustración 4 Tabla Tabla de agua agua saturada saturada
Finalmente sustituimos dando como resultado para cada lectura una calidad de:
= ℎℎ − − ℎℎ = 1155.4−215.838 947.412 = 0.991
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214.54 = ℎℎ − − ℎℎ = 1153.2− 948.27 = 0.989 213.71 = 0.988 = ℎℎ − − ℎℎ = 1151.7− 948.798 199.82 = ℎℎ − − ℎℎ = 1145.9− 957.84 = 0.987
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