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PRÁCTICA Nº1 TERMODINÁMICA
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TÍTULO DE UN VAPOR
HÚMEDO.
ESTUDIO Y OBTENCIÓN
21/09/2012 - 1
erSemestre - Curso: 2012-2013
Grupo y Mesa:
V ‐ 17 ‐ S1 ‐ M2
Alumno: Nº
Matrícula:
Gr.Clase
MATEO PRIETO; DIEGO
(Sin asignar)
M‐206
RUAN; JUNCHAO
50.437
M‐206
INDICE:
1. Objetivo de la Práctica
Pág. 1
2. Materiales
Pág. 1
3. Introducción
Pág. 2
4. Fundamento teórico
Pág. 3 y 4
5. Procedimiento experimental
Pág. 5
6. Cálculos
Pág. 6,7 y 8
6. 1 Tabla resumen de cálculos
Pág. 8
7. Cálculo de errores
Pág. 9
8. Gráfica (Tiempo – Temperatura)
Pág. 10
9. Conclusiones
Pág. 11
10.
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Bibliografía
Pág. 11
1. OBJETIVO:
El objeto de esta práctica es determinar el título de un vapor húmedo, que se puede interpretar como la calidad que tiene el vapor, así como el reconocimiento de equipos, instrumentales y técnica para obtención de dicho titulo o calidad de un vapor de agua.2. MATERIALES:
a) Calderín para producir el vapor con tubo de salida para el vapor y goma. b) Calorímetro adiabático de doble pared. c) Termómetro. d) Hornillo eléctrico. e) Vaso de precipitados. f) Agitador. g) Pinzas de madera. h) Soporte, varilla para soporte y nuez. i) Cronometro. j) Agua líquida y sólida (hielos). k) Báscula digital. l) Tablas de propiedades térmicas del agua.
3. INTRODUCCIÓN:
Desde hace muchísimos años, el vapor de agua viene siendo el fluido térmico más ampliamente utilizado; por ello, la determinación del título o calidad de un vapor es practica habitual en determinados procesos industriales que utilizan vapor como agente caloportador. La generalización de su empleo está basada en un conjunto de características singulares que le convierten en prácticamente insustituible. De entre las características que lo sitúan en el lugar que ocupa cabe destacar las siguientes: ‐ Materia prima barata y de elevada disponibilidad ‐ Amplio rango de temperaturas de empleo ‐ Ininflamable y no tóxico ‐ Fácilmente transportable por tubería ‐ Elevado calor de condensación ‐ Elevado calor específico ‐ Temperatura de condensación fácilmente regulable ‐ El vapor de agua constituye el fluido energético ideal para aplicación en el campo industrial. La razón fundamental es la necesidad que tiene la industria de emplear fuentes de calor a muy diversos niveles de temperatura. Su elevado calor latente y su baja densidad hacen que el vapor de agua sea especialmente efectivo en las operaciones de calentamiento. En la práctica, su empleo se extiende a un número muy elevado de procesos industriales. El vapor empleado como fluido energético se caracteriza por ser capaz de transportar energía entre dos puntos en forma de entalpía. El vapor se produce, a partir de agua, en un generador o caldera en el que aumenta su entalpía a costa habitualmente del calor de combustión de un combustible y una vez en el punto de utilización pierde esta entalpía cediéndola o bien hacia el medio a calefactar, o bien mediante transformación en energía mecánica como por ejemplo en una turbina. En una instalación de vapor se producen cambios energéticos caracterizados por sus correspondientes ganancias y pérdidas entálpicas en toda la banda que cubre desde agua líquida a cualquier temperatura hasta vapor sobrecalentado también a cualquier temperatura y viceversa, pasando por todos los estados intermedios caracterizados por calentamiento y enfriamiento de las fases líquido y vapor así como los cambios de fase. A la hora de diseñar y dimensionar una instalación de vapor es muy importante comprender muy bien todos estos cambios así como las características y leyes por las que se rigen.
4. FUNDAMENTO TEÓRICO:
(Obtenido del guion de la Práctica)Proceso isóbaro de calentamiento de un líquido:
La producción de vapor tiene lugar en un calderín donde se calienta agua a presión (atmosférica) constante.
Al principio, la temperatura aumenta considerablemente mientras que su volumen específico apenas varía. Cuando la temperatura alcanza los 100ºC se empieza a formar vapor a temperatura constante. El inicio de la vaporización se denomina líquido saturado; el final, vapor saturado. Entre esos dos estados se produce la vaporización: el fluido está formado por dos fases, vapor y líquido y se denomina vapor húmedo. El fluido con una temperatura menor que la de vaporización es un líquido subenfriado; el vapor con temperatura mayor que la de vaporización es un vapor sobrecalentado. En el intervalo en el que hay dos fases, la temperatura se mantiene constante. Por tanto, hay dos discontinuidades en la pendiente, que coinciden con el inicio y el final del cambio de fase. A presiones elevadas, se reduce la diferencia entre el volumen del líquido saturado y el del vapor saturado; las dos curvas se unen en el punto crítico. Por encima de la presión crítica, el paso de líquido a vapor se verifica de modo continuo, sin aparición de superficies de separación entre las dos fases. En el caso del agua, las coordenadas críticas son: Pc = 22,12 MPa, Tc = 374,15 °C. Calor Latente Es la cantidad de calor, agregado o eliminado a 1 Kg masa de una determinada sustancia, con el fin de lograr el cambio de fase de toda su masa. Puede ser calor latente de condensación o de vaporización. ´´ ´ ó ó ´ í í í ´´ í í
Título de un vapor húmedo
En las regiones bifásicas líquido–vapor se define el título o calidad del vapor (_) como la fracción en peso de vapor; es decir la masa de vapor que hay en la mezcla.
;
í í Para medir el título de un vapor se procede a condensarlo en un calorímetro con agua. En este proceso de condensación, que se produce a presión constante, se pierde una energía (en forma de calor) que la absorbe el calorímetro. (3) Calor perdido (vapor de agua) = Calor absorbido (calorímetro) Calor cedido por el vapor de agua El vapor de agua al condensarse pasa desde el estado inicial (salida del calderín) en forma de vapor húmedo hasta el estado final en forma de líquido subenfriado a la temperatura final TF (calorímetro). (4) ∆ ∆ ´ ´´ ´ í í í Calor absorbido en el calorímetro La temperatura inicial del agua del calorímetro, Ti, irá aumentando a medida que el vapor vaya condensando hasta alcanzar la temperatura final de equilibrio TF. El calor absorbido se invierte en calentar el agua y el propio calorímetro. (5) ∆ ; í í í í Nota: El calorímetro es de Aluminio cuyo calor específico es: 0,212 Aplicando la condición de equilibrio (3) y con (4) y (5) se obtiene el título de un vapor húmedo:5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:
o En nuestra práctica, el primer paso fue conectar el hornillo eléctrico, sobre el cual ya se encontraba el calderín preparado con agua y el tubo por el cual posteriormente saldría el vapor conectado, con un aislante (corcho) en su parte final, para poder manipularlo con las manos sin quemarnos. o Posteriormente, y mientras se calentaba el agua del calderín, se pesa el recipiente calorimétrico vacío junto con el agitador, anotando esta medida a la que llamaremos . o Una vez obtenida , se llena el vaso calorimétrico con agua del grifo hasta aproximadamente su mitad, y con hielos se consigue bajar su temperatura hasta una aproximadamente 10 por debajo de la temperatura ambiente, lo que llamaremos (no hay que olvidar agitar el agua con el agitador mientras se va enfriando). o Con recipiente calorimétrico a sacamos los hielos, y pesamos de nuevo el conjunto SIN hielos en la bascula electrónica, masa la cual llamaremos con agua fría. Posteriormente calcularemos la masa de agua liquida fría mediante la diferencia entre . o Seguidamente, estando el agua fría a una temperatura prácticamente constante , sellamos el recipiente calorimétrico de doble pared con su tapa de material aislante (corcho), en la cual colocaremos el termómetro y el agitador en sus correspondientes orificios; y una vez hecho esto, introducimos el tubo de goma procedente del calderín, que en esos momentos ya esta expulsando vapor, en el recipiente calorimétrico; poniendo el cronómetro en marcha en ese mismo instante. o Mientras se esta introduciendo el vapor en el recipiente calorimétrico, la temperatura va aumentando, y se tomarán medidas con el cronómetro cada 20 segundos, hasta que la temperatura del agua ascienda aproximadamente 10 sobre la temperatura ambiente. Una vez conseguido esto, se retirara el tubo de goma del recipiente calorimétrico, quedando la temperatura del agua en equilibrio, la cual llamaremos . o Con el agua a temperatura se pesa de nuevo el recipiente calorimétrico obteniendo unanueva masa . Con esta masa podremos calcular la masa final de agua , siendo
, pudiendo calcular por último la masa de vapor mediante la expresión . o Una vez hecho esto, para finalizar la resolución de la práctica, queda tomar las medidas de presión y temperatura del laboratorio en el barómetro que este posee, lo que llamaremos . y .. A la presión del laboratorio, posteriormente habrá que aplicarle un factor de corrección, obtenido en tablas y explicado en el apartado de cálculos, donde también se explica el procedimiento de obtención de las entalpías necesarias para calcular finalmente el título o la calidad del vapor húmedo.
6. CÁLCULOS:
** Masas y Temperaturas: ‐ Masa del recipiente calorimétrico vacío junto con el agitador, M : 190,0 ‐ Cálculo de K, (equivalente en agua del calorímetro) 0,212 : 190,0 0,212 40,28 ‐ Temperatura inicial del agua del calorímetro enfriada con hielos, T : 13,9 ‐ Masa del recipiente calorimétrico con agua fría a T 13,9 , M : 533,8 ‐ Masa de agua inicial en el calorímetro a T 13,9 , M : 533,8 190,0 343,8 ‐ Temperatura final de equilibrio del agua caliente en el calorímetro, T : 35,1 ‐ Masa del recipiente calorimétrico con agua caliente a T 35,1 , M : 548,2 ‐ Masa de agua final en el calorímetro a T 35,1 M : 548,2 190,0 358,2 ‐ Masa de Vapor: 358.2 343.8 14.4 ** Condiciones ambientales y correcciones: ‐ Temperatura de laboratorio, T . : . 26,5 ‐ Presión de laboratorio medida en Barómetro, P : . 715,7‐ Corrección de lectura barométrica, P : Utilizando la Tabla I de correcciones de lecturas barométricas a 0 ; con una temperatura de 26 y una presión de 720 , tenemos que aplicar un factor de corrección de 3,04 , obteniendo así la presión corregida, que posteriormente pasaremos a .: P P 3,04 715,7 3,04 712,66 P , 0,938 ** Entalpías específicas: ‐ Entalpía específica del vapor saturado, h : Utilizando ahora la Tabla VI, con la presión obtenida de 0,938 , e interpolando con dicho valor de presión entre 0.80 1 , para entalpías de vapor obtenemos: , , ,
638,38 ‐ Entalpía específica de agua líquida, h : Utilizando de nuevo la Tabla VI, con la presión obtenida de 0,938 , e interpolando con dicho valor de presión entre 0.80 1 , para entalpías de agua líquida obtenemos: , , ,
h 97,14 ‐ Entalpía específica de agua líquida a temperatura final 35,1 , H´ : Utilizando la Tabla VI, con una temperatura de 35,1 , e interpolando con dicho valor de temperatura entre 32,5 y 45,4 , para entalpías de agua líquida obtenemos: , , , , ´
h´ 35,41 ** Cálculo de calores cedidos y absorbidos: (Desarrollos obtenidos de la hoja resumen de la práctica). a) Calor cedido por el vapor húmedo: ´ ´ Siendo: masa de vapor saturado. masa de líquido. = masa total, que en nuestro caso hemos llamado
Sabiendo que el título de vapor , podemos sustituir y 1
b) Calor absorbido por el calorímetro: c) Cálculo de título de vapor húmedo: Igualando las dos ecuaciones anteriores y despejando , podemos obtener el título del vapor húmedo con la siguiente fórmula: ´
. . . . . . . .
0.93067
93.07%
6.1 TABLA RESUMEN DE CÁLCULOS:
. %Temperaturas
Masas
. 13,9 35,1 . 26,5 190,0 533,8 343,8 548,2 358,2 14.4Condiciones ambientales
Entalpías específicas:
. 715,7 P . 712,66 P . 0,938
638,38 h 97,14 h´ 35,41
Título del Vapor:
.
%
7.
CÁLCULO DE ERRORES:
Mediante la ecuación del título del vapor, realizamos la siguiente simplificación:´ ´
´
Una vez hecha la simplificación de la ecuación, aplicamos el Método de los Logaritmos para calcular errores haciendo los siguientes cambios de variable: ´
≫
→
→
→
→
∆ ´ ∆ ´ ∆ ´ ∆ ´ ∆ ´ ∆ ´ ∆ ´→
→ ∆ ´
∆ ´ ∆ ´ ∆ ´ ∆ ´ ∆ ´ ∆ ´Considerando los diferentes aparatos de medida y los errores asociados a cada uno existentes se tienen los siguientes valores: ∆ ´ 0,1 0,1 → ∆ ´ 0,1 0,1 → ∆ ´ 0,01 0,01 → í í ∆ ´ 0,1 0,1 → ∆ ´ 0,01 0,01 → í í Por último, dando estos valores en la ecuación anterior, y desaciendo el cambio de variable, obtenemos el error ∆ ´:
∆ ´
0,1 0,1 . . 0,1 0,1 . . 0,1 0,1 . . 0,01 0,01 . .0,93067
0,01 0,01 . . 0,01 0,01 . .0,93067
0,0040317
∆ ´
0.004 100
0.4%
| | . %
8. GRÁFICOS:
En este apartado se va a representar de forma gráfica la evolución o aumento de temperatura que se va a producir en el agua que esta en el interior del calorímetro cuando se le esta introduciendo vapor procedente del calderín, frente al tiempo en segundos, medido en intervalos de 20 segundos. En nuestra práctica, el tiempo total que transcurrió desde el inicio, con el agua a una temperatura en equilibrio de 13,9 hasta conseguir una temperatura final de 35.1 , fue de 132 .
Tabla de tiempos frente a temperaturas: Gráfica de tiempo frente a incremento de temperatura: 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 20 40 60 80 100 120 132 Temperatura (º C) Tiempo (sg)
Temperatura ‐ Tiempo
Temperatura Tiempo Temperatura Tiempo
13.9 0 26.6 80
17.3 20 30.2 100
20.5 40 33.5 120
