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BALANCE DE ENERGIA “SISTEMA ABIERTO” I.

INTRODUCCION En esta práctica verificaremos el balance de energía de una olla a presión, determinando experimentalmente su masa final. Colocando en práctica los conceptos y conocimiento de un balance de tanto de materia como de energía y demostrando que tanto se aproxima a los valores reales

II.

OBJETIVOS 1. Determinar la presión atmosférica en la ciudad de Sucre por los siguientes métodos: a. Ecuación de presión de vapor (cinco ecuaciones). b. Tablas de saturación. c. Principios de estados correspondientes. 2. Comparar la presión atmosférica calculada con el dato suministrada por el SENAMHI, determinar el error y el método más exacto. 3. Aplicar el balance de energía a una olla a presión desde el momento que se ha alcanzado la presión de operación. 4. Determinar la masa final de agua que queda en la olla y comparar con el valor experimental. 5. Graficar el perfil Top - t ; Pop – t; Tsup - t. 6. Graficar el proceso P – T; P – V y T – V

III.

FUNDAMENTO TEORICO

Olla presión: La olla a presión es un recipiente hermético para cocinar que no permite la salida de aire o líquido por debajo de una presión establecida. Debido a que el punto de ebullición del agua aumenta cuando se incrementa la presión, la presión dentro de la olla permite subir la temperatura de ebullición por encima de 100 °C. Una válvula libera el vapor cuando la presión llega al límite establecido; normalmente, la presión levanta un tope permitiendo que el vapor escape. Existe una válvula de seguridad regulada a una presión superior a la de funcionamiento. Si la temperatura interna (y por tanto, la presión) es demasiado alta, funcionaría esta

válvula, dejando escapar la presión. Las modernas ollas a presión se fabrican normalmente en aluminio o acero inoxidable 1.

Balance de energía: El principio de la conservación de la energia expresa el cambio neto (incremento o disminución) en la energia total del sistema durante un proceso es igual a la diferencia entre la energia total que entra y la energía total que sale del sistema durante el proceso es decir: total que − Energia total que = Cambioen la energia ( Energia entra al sistema ) ( sale del sistema ) ( total del sistema ) E Entrada −ESalida =∆ E Sistema Esta relación es más conocida como balance de energia y es aplicable a cualquier tipo de sistema que experimenta cualquier clase de proceso. El uso exitoso de esta relacion para resolver problemas de ingenieria depende de la comprension de las distintas formas de energia y de reconocer los modos como se transfiere 2. La energía interna: Es la suma de la energía de todas las partículas que componen un cuerpo. Entre otras energías, las partículas que componen los cuerpos tienen

masa y velocidad, por lo tanto tienen energía cinética interna. También tienen fuerzas de atracción entre ellas, por lo que tienen energía potencial interna 3. El calor: Es la energía intercambiada entre un sistema y el medio que le rodea debido a los choques entre las moléculas del sistema y el exterior al mismo y siempre que no pueda expresarse macroscópicamente como producto de fuerza por desplazamiento4. Presión atmosférica: Es la fuerza que ejerce el aire atmosférico sobre la superficie terrestre. Cambia con la profundidad, de acuerdo al clima, a nivel del mar, La presión debida al peso de la atmosfera se ejerce sobre todos los objetos inmersos en este gran bloque de aire5. Presión y temperatura de saturación: Es la temperatura de cambio de fase para una presión P fija. Presión de vapor o de saturación es la presión a la cual una cierta sustancia cambia de fase para una temperatura dada 6. Termómetro: Se utiliza para medir la temperatura de las sustancias o materiales seleccionados. El termómetro de vidrio tiene en su interior mercurio y cuenta con una graduación, el mercurio cuando se calienta reacciona y sube desde el bulbo, por el capilar hasta la altura correspondiente e indica, de esta manera la temperatura. Pirómetro: Es un instrumento que mide la temperatura de una determinada sustancia sin la obligatoriedad de estar en contacto con dicha sustancia. Es capaz de medir elevadas temperaturas. Su rango va de – 50 grados Celsius hasta + 4000 grados Celsius7. Termocupla: Las termocuplas son los sensores de temperatura eléctricos más utilizados en la industria. Una termocupla se hace con dos alambres de distinto material unidos en un extremo, al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño, del orden de los mili volts el cual aumenta con la temperatura. Este sería un esquema de ejemplo de una termocupla cualquiera. Densímetro. Un densímetro, es un instrumento que sirve para determinar la densidad relativa de los líquidos sin necesidad de calcular antes su masa y volumen 8

IV.-MATERIALES Y EQUIPOS

         

Multímetro Olla a presión Hornilla eléctrica Densímetro digital Probeta de 500 ml y 250 ml. Vaso de precipitado de 500 ml y 100ml. Termocuplas Pirómetro Termómetro de vidrio. Malla de amianto

V.- PROCEDIMIENTO:

 

Medir 680 ml de agua, previamente encontrar la densidad. Suministrar calor y registrar temperatura, presión y temperatura de superficie



en intervalos de tres minutos. Registrar el tiempo para el cual se ha alcanzado la presión de operación, a partir de dicho momento realizar 5 lecturas y terminar el proceso.



Enfriar la olla presión hasta que el agua alcance la temperatura de 40 ºC y



medir el volumen de agua resultante. Tomar una muestra de 60 ml de agua en un vaso de precipitado y suministrar calor hasta alcanzar la temperatura saturación. Medir la temperatura con un termómetro de vidrio y con la Termocupla.

VI.- CALCULOS Registro de datos o o o o o o o o o o o o

Densidad del H2O = 0.997g/cm3 TH20 = 25.2 0C VI = 720 ml VF = 665 ml Potencia de la hornilla = 1500 w Volla = 7 L t hornilla = 3´42” Psenamhi = 722.8 mbar Tebu, Termocupla = 900C Tebu, termómetro alcohol =900C Tebu, termómetro Hg=910C Presión atmosférica proporcionada por SENAMHI=72,28KPa a horas (16:00) PM

t (min) 0 3 6 9 12 15 17 19 21 23 25

T (ºC) 22.7 24.9 33.7 57.0 80.1 95.4 102.7 108.9 111.8 112.3 112.4

Pman (psi) 1.1 1.2 1.4 2.4 5.1 8.2 10.5 12.5 14.1 13.8 13.6

Tsup (ºC) 21.9 114.7 76.1 129.6 78.9 77.2 71.7 70.9 76.8 71.0 82.4

Tplato(ºC) 23.5 138.0 178.5 232.0 235.5 245.5 244.5 239.5 189.0 238.0 243.5

T operacion=

∑ Top n

T operacion=

(102.7+108.9+111.8+112.3+112.4 ) =109.62° C 5

P manometrica=

P manometrica=

∑ Pman n

10.5+12.5+14.1+13.8+13.6 =12.9 Psia 5

Pman=12.9 Psia=88.94 KPa RESULTADOS Calculo de la presión atmosférica: 1.- Ecuaciones de presión de vapor a Hendrick PS ( ln = 1− X ) [ A∗X + B∗X 1,5 +C∗X 3+ D∗X 6 ] (1) Pc X =1−

T (1. a) Tc B PS S ln P =A− +C ln T + D 2 (2) T T

b Harlacher c

Antoine ln PS =A−

B (3) T +C

d) Ecuación de Riedel.

B S 6 ln P =A + +C∗lnT + D∗T ( 4) T Para el uso de estas ecuaciones se tiene que leer los siguientes valores: 

(9)

   

Pc=22120 KPa A=-7,7645 B=1,45838 C=-2,77580

Tc=647,3 K

 D=-1,23303 Teb (promedio)=90.33 ºC =363.48 K Ecu (a). PS=Patm=71,033KPa Ecu (b). PS=Patm=3,3021E-9 KPa Ecu (c). PS=Patm=0,0423 KPa Ecu (d). PS=Patm=0 KPa 2.-Tablas de Saturación Con la temperatura de ebullición leer PS de tablas de saturación.  Teb (promedio)=90.33 ºC  P(saturacion)=71.091 KPa Calculo del error 

Tablas E=

E= 

Ecuaciones de vapor

Ecuación (a) E=

(Pexp−Pteo ) ∗100 Pteo

( Pexp−Pteo ) ∗100 Pteo

(71.091−72,28 ) ∗100=1.64 72,28

E=

(71.091−71,033) ∗100=0.082 71.033

Calculo del calor: t= 3 min 43 s = 223 s J Pot=1500 W = s

Q=Pot∗t

J s∗1 KJ Q=1500 ∗223 =334.5 KJ s 1000 J Balance de materia y energía:    Balance de materia ❑ ∂ msal f dm dm m ´ ent −m ´ sal = − ∫ dt =∫ dt ; dt ❑ i −msal=mf −mi∗(−1) msal =mi−mf    Balance de energía

´ ent m

(

1 v 2 zg H+ + 2 gc g c

´ ´ sal H sal + Q= −m F

−Ḫ sal ∫ I

)

´ sal −m

ent

(

1 v 2 zg H+ + 2 gc g c

d U m sist dt F

F

d [Ṵ m] δm δQ sal+∫ =∫ dt dt dt I I

−msal H sal +Q=U F mF −U I m I

)

sal

(

d U+ ´ W ´= + Q−

1 v 2 zg ´ + m 2 gc gc sist dt

)

CONDICIONES INICIALES Calculo de la presion de operación o saturacion Patm=72,28 KPa Pman= 88.94 KPa P op=P man + P atm( senami)

P op=88.94+72.28=161.18 KPa Calculo de masa: Vi=720 ml = 0,00072 m3 g Kg =997 3 =0,997 cm3 m

=

mi=

997

m v

V (0 lla) mI

0,007 m 3 m3 VI= =0.00975 0,71784 Kg Kg Dato Pop, leer en tablas de saturacion: V liq, sat =0,001055

m3 Kg

m=

Kg 3 ∗0,00072m =0.71784 Kg 3 m

Calculo de volumen especifico: VI=

;

¿v

3

V vap , sat =1,089701 U liq, sat =475.801

KJ Kg

U vap ,sat =2521.992 H liq, sat =475.975

m Kg

KJ Kg

KJ Kg

H vap , sat =2691.138

KJ Kg .X = 0,00799

H vap , sat =H salida =2669.93

KJ Kg

Energia interna U I =X I∗U vap , sat + ( 1−X I )∗U liq, sat

U I =0,00799∗2521.992+ (1−0,00799 )∗475.801=492.1501

KJ Kg

CONDICIONES FINALES −(m I −m F ) H sal +Q=U F m F −U I m I (1) V F = X F∗V vap ,sat + ( 1−X F )∗V liq, sat (2) U F= X F∗U vap , sat + ( 1−X F )∗U li q , sat (3)

mF =

VF VF

(4)

Calculo de la calidad final, masa final y energia interna final −( 0.71784−m F )∗2669.93 KJ 492.1501 KJ +334.5 KJ=U F m F− ∗0.71784 Kg (1) Kg Kg 0.000665 =X F∗1,089701+ ( 1−X F )∗0,001055(2) mF U F= X F∗2521.992+ ( 1−X F )∗475.801(3)

mF =

m3 V F =0.00119 Kg

0.000665 VF

;

(4)

U F=475.9994

KJ Kg

mF =0.5601 Kg

;

X F=0,00009694

Porcentaje de error de la masa final Volumen final que queda en la olla es 665 ml = 0.000665 mexperimental=0.663005 Kg

E=

0.663005−0.5601 ∗100 =18,373 0.5601

Graficas:

Temperatura Vs tiempo t (min) 0 t (min) 3 0 6 3 9 6 12 9 15 12 17 15 19 17 21 19 23 21 25 23 25

T (ºC) 22.7 P (Psi) 24.9 1.1 33.7 1.2 57.0 1.4 80.1 2.4 95.4 5.1 102.7 8.2 108.9 10,5 111.8 12.5 112.3 14.1 112.4 13,8 13.6

Presión Vs tiempo

Temperatura sup. Vs tiempo

m

3

t (min)

T sup

0 3 6 9 12 15 17 19 21 23 25

(ºC) 21.9 114.7 76.1 129.6 78.9 77.2 71.7 70.9 76.8 71.0 82.4

Tplato Vs tiempo

t (min) 0 3 6 9 12 15 17 19 21 23 25

T pla(ºC) 23.5 138.0 178.5 232.0 235.5 245.5 244.5 239.5 189.0 238.0 243.5

VII.- CONCLUSIONES: Llegamos a la conclusión:  La presión atmosférica calculada por las cuatro ecuaciones de vapor, no son todas efectivas ya que la más exacta fue la ecuación de Hendrick, demostrando que las demás no sirven para el agua.

 De los dos métodos empleados (Ecuaciones de Vapor y Tablas) para calcular la presión atmosférica, el método de la Ec. De presión de vapor fue el más exacto por lo que el error nos salió un valor mínimo de

0.082 .

 De acuerdo al balance de energía observamos que el porcentaje de error de la masa final es mínima, por lo tanto la práctica se la realizo correctamente.  En las gráficas se observa el comportamiento tanto de la temperatura como de la presión: 1.-La temperatura de acuerdo al tiempo fue aumentando hasta el punto de ebullición donde a partir de ese momento se mantuvo constante 2.- La presión de acuerdo al tiempo fue aumentando hasta alcanzar la saturación y partir de ese momento hubo una declinación debido a la pérdida de masa por la válvula de escape de la olla. 3.-La temperatura de superficie de acuerdo al tiempo tuvo un comportamiento irregular. 4.-La temperatura del plato de acuerdo al tiempo tuvo un comportamiento parecido al de la temperatura de superficie en función del tiempo.

VIII.- BIBLIOGRAFIA Çengel, Yunus A. & Boles, Michael A. Termodinámica. Editorial McGraw-Hill. Cuarta Edición. México. 2003. 829 págs. Termodinámica. Editorial McGraw-Hill. Sexta Edición. México. 2004. 1048 págs (1)

http://www.icarito.cl/enciclopedia/articulo/segundo-ciclo-basico/educacion-

(2)

tecnologica/objetos-tecnologicos/2009/12/73-6299-9-la-olla-a-presion.shtml

(3)

http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/2esobiologia/2quincena1/2q1_cont

enidos_4d.htm (4)

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/estadistica/termodinamica/termo/Termo.html

(5)

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/PresionAtmosferica.htm

(6)

http://u1termood.blogspot.com/2012/04/temperatura-de-saturacion-y-presion-

de.html (7)

http://quees.la/pirometro/

(8)

http://www.ecured.cu/index.php/Dens%C3%ADmetro densímetro

(9)

Reid, Prausnitz y Poling

Universidad Mayor, Real y Pontificia De San Francisco Xavier De Chuquisaca

Facultad de tecnología

LABORATORIO DE PRQ-201 UNIVERSITARIOS:  CABALLERO LOPEZ GUEIDA  PINTO CABRERA MARISOL  VELASQUEZ RIOS DENNIS VICTOR DOCENTE: ING. VIRGILIO OPORTO GRUPO: MIERCOLES 16:00- 18:00 FECHA: 1/06/16

(ING. PETROLEO Y G.N.) (ING. PETROLEO Y G.N) (ING. AMBIENTAL)

Sucre - Bolivia