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UNIVERSIDAD NACIONAL TENOLOGICA DE LIMA SUR

CALDERA MARCET Laboratorio de ingeniería PROFESOR: Ing. Eliseo Paez ALUMNOS: MUÑOZ OCAS, EDWIN HUMBERTO

INGENIERIA MECÁNICA ELECTRICA

2017

Estudio del Vapor 1. Objetivos 

La presenta experiencia nos permite obtener el calor latente de vaporización del vapor de agua.



Hallar la calidad de una determinada muestra de vapor.

2. Fundamento Teórico Calorímetro Universal El calorímetro es un instrumento que sirve para medir las cantidades de calor suministradas o recibidas por los cuerpos. Es decir, sirve para determinar el calor específico de un cuerpo, así como para medir las cantidades de calor que liberan o absorben los cuerpos.

El tipo de calorímetro de uso más extendido consiste en un envase cerrado y perfectamente aislado con agua, un dispositivo para agitar y un termómetro. Se coloca una fuente de calor en el calorímetro, se agita el agua hasta lograr el equilibrio, y el aumento de temperatura se comprueba con el termómetro. Si se conoce la capacidad calorífica del calorímetro (que también puede medirse

utilizando una fuente corriente de calor), la cantidad de energía liberada puede calcularse fácilmente. Características Un calorímetro idealmente puede ser insensible a la distribución espacial de las fuentes de calor dentro de él. Si este objetivo es alcanzado, entonces la potencia puede en principio ser medida a cualquier frecuencia por disipación en el calorímetro y determinar la correspondiente potencia dc que da la misma lectura que la potencia no conocida. Por supuesto la tarea de diseñar un calorímetro que sea completamente insensible a la distribución de calor, no es posible y lo mejor que puede alcanzarse es construir un instrumento el cual tenga un conocido factor de corrección, estos factores de corrección son evaluados de una combinación de mediciones y cálculos, tenemos la eficiencia efectiva. La eficiencia efectiva (e.e.) es un parámetro relativamente estable para más instrumentos y siendo adimensional es independiente del sistema de unidades usado. Para la mayor parte de los calorímetros la e.e. puede ser evaluada con una incertidumbre de 0.1% a 1 ghz, 0.2 % a 40 ghz y 0.5 % a 100 ghz. Las correspondientes incertidumbres en los valores de la potencia absorbida rf o de microondas serán naturalmente un poco mayores que los dados, ya que dependen por ejemplo de los conectores. Aunque el principio de medición de potencia por medio de sus efectos caloríficos es uno de los viejos métodos, los calorímetros actuales tienen sus orígenes en los desarrollos de los años 40 y 50 Ventajas: alta precisión y estabilidad de calibración. Desventajas: baja velocidad de respuesta y muy voluminosos Tipos de calorímetros: estáticos, no estáticos, permanentes y pretermicos Calorímetros comúnmente usados: dry load calorimeter, microcalorímetro, calorímetro de flujo, calorímetro adiabático, calorímetro de cambio de estado, calorimetro adiabático y otros tipos de calorímetros.

Separador Universal Se utiliza en todos los sistemas de vapor aire comprimido para eliminar las pequeñas gotas de agua en suspensión

que siempre existen en el vapor saturado y en los sistemas de aire comprimido, que provocan erosión en las válvulas, disminuyen la capacidad de calentamiento y disminuyen la vida útil de los sistemas en general. CARACTERÍSTICAS: Son simples, robustos y muy efectivos a diversos rangos de velocidad con una mínima caída de presión.

Valvulas de Estrangulamiento Una válvula de estrangulamiento es simplemente una restricción al flujo, si bien se reduce la presión, no realiza trabajo y por lo general la transferencia de calor es pequeña. Si se elige el volumen de control lo suficientemente alejado de dicha restricción, el cambio de energía cinética resulta pequeño. Cuando un fluido se expande desde una región de alta presión hasta otra de baja presión generalmente se hace trabajo, o se producen cambios en la energía potencial y cinética. Cuando no ocurren tales efectos se dice entonces que el proceso es de estrangulamiento. Por lo general se realiza mediante válvulas que estrangulan el fluido, pues este al adquirir una velocidad alta se disipa en turbulencia, o pueden reducirse a cero mediante la correcta selección del tubo. El proceso de estrangulamiento obedece a la ecuación denominada expansión de Joule - Thompson (h1 = h2).

Condensador Es un elemento intercambiador térmico, en cual se pretende que cierto fluido que lo recorre, cambie a fase líquida desde su fase gaseosa mediante el intercambio de calor (cesión de calor al exterior, que se pierde sin posibilidad de aprovechamiento) con otro medio. La condensación se puede producir bien utilizando aire mediante el uso de un ventilador

o con agua (esta última suele ser en circuito cerrado con torre de refrigeración, en un río o la mar). La condensación sirve para condensar el vapor, después de realizar un trabajo termodinámico p.ej. una turbina de vapor o para condensar el vapor comprimido de un compresor de frío en un circuito frigorífico. Cabe la posibilidad de seguir enfriando ese fluido, obteniéndose líquido subenfriado en el caso del aire acondicionado.

Caldero Marcet Con este equipo de ensayo se puede demostrar la relación entre la presión y la temperatura del vapor de agua saturado y se puede obtener la curva de presión de saturación hasta una presión de 15bares. En un recipiente cerrado a presión se calienta una cantidad determinada de agua por medio de un calentador eléctrico. La temperatura y la presión se pueden observar continuamente a través de un indicador digital de temperatura y de un manómetro de Bourdon. Como dispositivos de seguridad se dispone de una válvula de alivio y de un limitador de temperatura. Los experimentos con vapor muy caliente se deberían llevar a cabo sólo bajo la supervisión de personal con la preparación adecuada.

3. Instrumentos

Equipo

Calorímetro Universal

Equipo

Caldera Marcet

Equipo

Mechero

Equipo

Termómetros de bulbo

Rango

0 – 200 ℃

Equipo

Probeta

Marca

Fortuna

Rango

0 – 500 ml

Aproximación

± 0.5ml

4. Procedimiento Calorímetro Universal 

Regulamos la presión a la entrada del separador en 40 psi.



Esperamos que se forme una columna de líquido en el separador regulando la válvula del paso anterior para mantenerlo constante.



Liberamos en el líquido en la columna e inmediatamente tomamos la temperatura en la entrada del estrangulador, la presión en la entrada del condensador y recogemos el líquido que sale del condensador y medimos con una probeta la cantidad de agua recogida.



Repetimos el proceso para una presión de 45, 50 y 60 psi.

Caldero Marcet 

Llenamos el caldero con agua y eliminamos el exceso abriendo una válvula para que quede al nivel adecuado.



Encendemos el mechero y calentamos el caldero. Esperamos que caliente un poco el líquido y abrimos una válvula para que el aire en el interior se escape del caldero.



Cuando alcanza una presión de 40 psi comenzamos a tomar medidas de la temperatura cada 10 psi hasta una presión de 100 psi.



Luego quitamos el mechero del caldero y esperamos que vaya bajando la presión tomando medidas descendentes de la temperatura hasta que alcance la presión de 40 psi.

5. Cálculos y Resultados Caldero Marcet Datos: Punto

P man (bar) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

T cal (ºc) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

100 119 134 144 152 159 165 171 176 181 186

Punto

P man (bar)

T enfr (º c)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

186 183 179 173 167 161 153 144 134 125 115

Grafica de dispersión de los datos tomados en el laboratorio

t 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

t

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

200 180 160 140 120 100

t

80

jk

60 40 20 0 10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

110

P vs T

100

P (Mpa)

90 80 70 60 50

Ascendente

40

Descendente

30 130

140

150 T (ºC)

160

Grafica del estado de saturación Líquido vapor del agua

170

110

P vs T

100

P (Mpa)

90 80 70 60 Ascendente Descendente Expon. (P vs T)

50 40 30 130

Calorímetro Universal

140

150 T (ºC)

160

170

Las ecuaciones que conocemos para el proceso son las siguientes: 𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

𝑥1 = 𝑚

𝑠𝑒𝑝𝑎𝑟𝑎𝑑𝑎 +𝑚𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑎

𝑥2 = 𝑚

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟

(1) (2)

𝑐𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑑𝑎

Punto 1: De los valores en Tabla para un estado sobrecalentado en el punto 3: 𝑇3 = 39 °𝐶 } ℎ3 = 2574.3 𝑃3 = 7.866 𝐾𝑃𝑎 Sabemos que h2=h3; buscando en tabla, en vapor saturado para: 𝑃1 = 𝑃2 = 276.79 𝐾𝑃𝑎 {

ℎ𝑓 = 549.77 ℎ𝑓𝑔 = 2171.791

ℎ2 = ℎ𝑓 + 𝑥2 ∗ ℎ𝑓𝑔 … … (3) Reemplazando h2, hf, hfg en la ecuación 3, obtenemos:

X2 = 0.9322

Reemplazando en la ecuación 2, obtenemos:

𝒎𝒗 = 𝟏𝟐𝟏. 𝟏𝟖𝟓 𝒎𝒍/𝑲𝒈

Reemplazando en la ecuación 1, obtenemos:

X1=0.6122

Punto 2: De los valores en Tabla para un estado sobrecalentado en el punto 3: 𝑇3 = 41 °𝐶 } ℎ3 = 2592.66 𝑃3 = 8.932 𝐾𝑃𝑎 Sabemos que h2=h3; buscando en tabla, en vapor saturado para: 𝑃1 = 𝑃2 = 310.264 𝐾𝑃𝑎 {

ℎ𝑓 = 566.286 ℎ𝑓𝑔 = 2160.574

ℎ2 = ℎ𝑓 + 𝑥2 ∗ ℎ𝑓𝑔 … … (3) Reemplazando h2, hf, hfg en la ecuación 3, obtenemos: Reemplazando en la ecuación 2, obtenemos: Reemplazando en la ecuación 1, obtenemos:

X2 = 0.938 𝒎𝒗 = 𝟏𝟐𝟕. 𝟓𝟓 𝒎𝒍/𝑲𝒈 X1=0.637

Punto 3: De los valores en Tabla para un estado sobrecalentado en el punto 3: 𝑇3 = 55 °𝐶 } ℎ3 = 2615.3 𝑃3 = 12.065 𝐾𝑃𝑎 Sabemos que h2=h3; buscando en tabla, en vapor saturado para: 𝑃1 = 𝑃2 = 413.68 𝐾𝑃𝑎 {

ℎ𝑓 = 609.794 ℎ𝑓𝑔 = 2130.216

ℎ2 = ℎ𝑓 + 𝑥2 ∗ ℎ𝑓𝑔 … … (3) Reemplazando h2, hf, hfg en la ecuación 3, obtenemos:

X2 = 0.9415 𝒎𝒗 = 𝟐𝟏𝟓. 𝟕𝟒 𝒎𝒍/𝑲𝒈

Reemplazando en la ecuación 2, obtenemos: Reemplazando en la ecuación 1, obtenemos:

X1=0.7315

Punto 4: De los valores en Tabla para un estado sobrecalentado en el punto 3: 𝑇3 = 43 °𝐶 } ℎ3 = 2588.28 𝑃3 = 9.999 𝐾𝑃𝑎 Sabemos que h2=h3; buscando en tabla, en vapor saturado para: 𝑃1 = 𝑃2 = 344.738 𝐾𝑃𝑎 {

ℎ𝑓 = 581.978 ℎ𝑓𝑔 = 2149.721

ℎ2 = ℎ𝑓 + 𝑥2 ∗ ℎ𝑓𝑔 … … (3) Reemplazando h2, hf, hfg en la ecuación 3, obtenemos: Reemplazando en la ecuación 2, obtenemos: Reemplazando en la ecuación 1, obtenemos:

X2 = 0.933 𝒎𝒗 = 𝟏𝟓𝟖. 𝟔𝟓𝟖 𝒎𝒍/𝑲𝒈 X1=0.679

6. Conclusiones 

Después de comparar la calidad en el calorímetro universal, se concluye que a mayor presión la calidad es mayor.



En el Caldero Marcet, se concluye que a mayor temperatura el error disminuye, esto se debe probablemente a la falta de rango en el termómetro usado en la experiencia



Se pudo comprobar que los datos obtenidos de las temperaturas de vapor de agua con sus respectivas presiones se aproximan a los valores de la tabla.



La calidad resulta una propiedad muy importante para una mezcla líquido vapor, porque nos da una idea de la cantidad de vapor (o líquido) que contiene una mezcla; además la calidad se puede variar haciendo que varíe alguna otra propiedad.



el problema que una mayor temperatura el agua para crear presión es por que usamos agua potable y no agua destilada



a que se debe por que la temperatura baja rápidamente



a mayor delta de t mayor descenso de temperatura, a menor delta de t menor descenso de temperatura

7. Recomendaciones 

Se recomienda usar en el Caldero Marcet un termómetro con alto rango de temperatura para poder tener valores más precisos.



En el calorímetro se recomienda trabajar con presiones no muy altas ya que a la salida el agua condensada saldría con una cantidad de vapor considerable.



Usar implementos de seguridad como guantes al momento de abrir la válvula en el separador por la elevada temperatura que presenta esta zona.



Tener mucha precaución al momento de medir “mc”, debido a que se pierde o se tiene líquido de más, para ello se tiene que hacer con mucha rapidez, o en el mejor de los casos, usar otro método de medición.



Mantener la presión a la entrada del separador (P1) constante, para que no se alteren las otras mediciones.



Conseguir una tabla mucho más completa, para evitar hacer las extrapolaciones.

8. Bibliografía 

MANUAL DE LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA I.



Potter Merle, MECÁNICA DE FLUIDOS, Segunda Edición, México, Editorial Prentice Hall Hispanoamericana, 1998.



Seymour Doolittle Jesse, EL LABORATORIO DEL INGENIERO MECÁNICO, Buenos Aires, Editorial Masa, 1962.