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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

CURSO

:

LAB. DE INGENIERÍA MECÁNICA I / MN412

EXPERIENCIA

:

Nº7 ESTUDIO DEL VAPOR

INTEGRANTES

:

YOPLA BASALDÚA JORGE

20114027J

AÑAZGO FERNANDEZ JOSE

20110130K

CALDERON ZUÑIGA ERIK

20110124K

GARAY SALAZAR WILMER

20110079E

TICLA PUENTE PAUL

20110119G

RAMOS NUÑEZ EDGAR

20114064B

PROFESOR

:

ING. UGARTE

SECCIÓN

:

A

CICLO ACAD. :

2013-II

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LAB. DE ING. MECÁNICA I

INDICE

1

INTRODUCCION

pg. 3

2

OBJETIVOS

pg. 4

3

FUNDAMENTO TEORICO

pg. 5

4

MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS

pg. 12

5

PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO

pg. 12

6

HOJA DE DATOS

pg. 14

7

CALCULOS Y RESULTADOS

pg. 15

8

CONCLUSIONES

pg. 19

9

OBSERVACIONES

pg. 20

10

BIBLIOGRAFIA

pg. 21

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INTRODUCCIÓN

La conversión del agua en vapor, trae consigo una serie de fenómenos estudiados por la Física, tales como: presión, fuerza, trabajo, potencia, etc.; sin cuyo conocimiento previo nos sería difícil definir y explicar el funcionamiento del caldero. Cuando hablamos de conversión de agua en vapor nos referimos a la generación de vapor, fenómeno que se lleva a cabo en las calderas y cuyo provecho se utiliza tanto en las plantas térmicas, en la generación de potencia como las plantas industriales. En lo que respecta a las unidades generadoras de vapor (calderos), se podría decir que su evolución se viene dando desde el año de 1919 hasta nuestros días, de modo que se pueda conseguir una unidad generadora de vapor eficiente. Al hablar de calderas nos estamos refiriendo como ya se dijo a su funcionamiento, al combustible que se utiliza, a la cantidad de aire que se necesita para quemar el combustible, a los tipos de calderas, a sus accesorios, al manejo y cuidado de las mismas, etc. Es así que cuando hablamos de un generador de vapor moderno tomamos en consideración un caldero que reúna las condiciones más óptimas de funcionamiento, y cuya finalidad sea la de aprovechar al máximo la energía química del combustible y así lograr el objetivo (conversión de agua en vapor), que como ya se dijo es un requerimiento primordial en el campo industrial por sus múltiples aplicaciones.

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OBJETIVOS:  La presente experiencia nos permite obtener el calor latente de vaporización del vapor de Agua.  El objeto del ensayo sobre el cual se basa este informe, es el de hallar la calidad en una determinada muestra de vapor para saber si es el adecuado.

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FUNDAMENTO TEORICO: A) Sustancia Pura: Se conoce como sustancia pura, a toda sustancia que tiene una composición homogénea e invariable independiente de la fase o fases en que se encuentre. Toda sustancia puede existir en por lo menos tres fases: sólido, líquido y vapor. Una muestra de agua en la fase sólida, una mezcla de agua y hielo o una mezcla de agua y vapor, son sustancias puras, puesto que cada una de las fases tiene la misma composición química. En cambio por ejemplo el agua salada no es sustancia pura, ya que al producirse la evaporación, el vapor tendrá una composición diferente a la fase líquida. Una mezcla de gases (como el caso del aire), puede considerarse sustancia pura, siempre y cuando su composición sea uniforme y el análisis se refiera exclusivamente a la fase gaseosa. Si uno de los componentes se condensa, la mezcla ni podrá ser considerada sustancia pura debido a que el condensado tendrá una composición diferente a la mezcla original.

Fig. Fases del agua B) Cambios de fase: Los procesos en los que una sustancia cambia de estado (tales como fusión, evaporación, condensación, etc.), se llaman cambios o transiciones de fase. Cada estado de la materia está determinado por su propio conjunto de características de presión y temperatura y requiere de adición o sustracción de calor para habilitarlo a pasar de un estado a otro.

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Por ejemplo, para fundir un sólido, primero debemos suministrar suficiente calor para incrementar la agitación térmica de los átomos que forman la red cristalina, y así elevar la temperatura hasta llegar al punto de fusión. Luego debemos seguir suministrando calor para romper la red cristalina y así fundir el sólido. La primera parte del calor sirve para incrementar la energía cinética de los átomos y la segunda se necesita para romper las fuerzas de enlace que mantienen a los átomos unidos, darles un grado de libertad mayor y así incrementar su energía potencial. La temperatura aumenta a razón constante durante el transcurso del suministro de la primera parte de calor y la temperatura permanece constante mientras el sólido se funde.

Se revierte el proceso de fundición cuando permitimos que un líquido a temperatura ambiente se enfríe hasta llegar a su punto de congelamiento y se solidifica. El líquido libera energía al medio ambiente, parte de ésta debido a la reducción en la energía cinética y el resto al decremento en la energía potencial. En este cambio de fase también se observa que la temperatura permanece constante. Condiciones similares se aplican a la evaporación de un líquido y al proceso inverso. La cantidad de calor requerida para evaporar (o vaporizar) un gramo de una sustancia se llama el calor latente de vaporización de dicha sustancia.

Fig. El agua y sus fases intermedias

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C) Estado de vapor: Una sustancia se halla en la fase de vapor si no se halla muy lejos de su fase líquida, de manera que si se le entrega mayor cantidad de energía dicha sustancia puede alcanzar a la fase gaseosa. A diferencia de los gases que tienden a seguir las leyes de gases ideales, los vapores se apartan mucho de éstas y sus propiedades termodinámicas deben ser obtenidas mediante tablas o gráficas.

Fig. Diagrama de Moliere del vapor de agua El diagrama anterior es un diagrama T-s general, válido para una sustancia típica hipotética. En ella podemos observar una zona de líquido sub-enfriado o líquido comprimido a la izquierda de la campana, y otra de vapor sobrecalentado, a la derecha de la misma. En estas dos zonas se considera que la sustancia es completamente líquida o completamente vapor. La zona dentro de la campana corresponde a un estado de transición en la cual la sustancia se considera un vapor húmedo, es decir, si consideramos que la sustancia es calentada, parte de ella aún no se ha vaporizado, o si consideramos que la sustancia es enfriada, parte de ella aún no se ha condensado. Así pues para la sustancia de esta campaña se puede definir una calidad, que es la fracción (o porcentaje) en masa que es vapor con respecto a la masa total de sustancia, o bien la humedad, que sería lo contrario, es decir la fracción en masa que es líquido con respecto a la masa total de la sustancia. La curva que forma la campana, a la izquierda del punto crítico recibe el nombre de curva de líquido saturado y representa el lugar geométrico de todos los puntos donde la calidad de la sustancia es 0. A la derecha del punto crítico esta curva recibe el nombre de curva de vapor saturado (aquí calidad = 1).

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D) Propiedades de una mezcla vapor-líquido: Toda mezcla de vapor y líquido en equilibrio necesariamente se encuentra a las condiciones de cambio de fase (presión y temperatura de saturación). En este caso, como la presión y la temperatura no son propiedades independientes es necesario dar alguna otra propiedad o parámetro que permita identificar un estado dado. Para la mezcla vapor-líquido o vapor húmedo los parámetros más empleados son la CALIDAD y HUMEDAD.



Calidad y humedad de una mezcla líquido-vapor:

La calidad conocida también como título de un vapor húmedo no es más que la fracción o porcentaje en masa, de vapor existente en una mezcla líquidovapor. La humedad viene a ser la fracción en masa, correspondiente al líquido. Es decir: mg = Masa de vapor mf = Masa de líquido m = mg + mf

Calidad : También: Humedad: De estas relaciones se observa que:



Propiedades específicas de un vapor húmedo:

Propiedad específica es toda aquella que está referida a la unidad de masa de la sustancia. Por ejemplo, el volumen específico es el volumen por unidad de masa. Como las tablas de vapor dan las propiedades únicamente para vapor saturado y líquido saturado, más no para mezclas, deduciremos expresiones que nos permitan determinar las propiedades específicas de una mezcla líquido-vapor (o vapor húmedo) en función de los valores dados por las tablas y de la calidad o la humedad. Para esto, sea: n

= Una propiedad específica cualquiera

nf

= La propiedad n correspondiente al líquido saturado.

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ng = La propiedad n correspondiente al vapor saturado. mf = Masa de líquido saturado mg = Masa de vapor saturado

m = Masa total = mf + mg

También por definición de propiedad específica:

Donde es la propiedad para toda la masa m y el subíndice i indica cualquiera de las fases o la mezcla total. Luego para una mezcla de las fases líquido y vapor, la propiedad N para toda la mezcla será:

ó De donde:

Sabiendo que:

, se obtiene:

Y haciendo:

Se tendrá finalmente:

O en función de y:

Para el caso particular en que n sea la entalpía específica, se tendría:

ó

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E) Calorímetro separador: Este tipo de calorímetro se utiliza especialmente con vapores que por sus características de presión o temperatura se suponen húmedos. Es estos casos la densidad del vapor es sólo una puy pequeña fracción de la de las gotitas de agua en suspensión. Así, a unos 20 kg/cm2, la densidad del agua saturada es aproximadamente cien veces mayor que la del vapor saturado. Si se invierte bruscamente la dirección del movimiento del vapor húmedo, las gotitas de agua tienden a seguir en la dirección primitiva y, por lo tanto, se separan del vapor. En los calorímetros separadores, el vapor de entrada se ve obligado a cambiar bruscamente de dirección. Las gotitas de agua se separan y se juntan en la cámara de separación. Un nivel indica el nivel de agua en la cámara separadora y lleva una escala que permite leer la cantidad de agua presente. El vapor seco continúa su camino por un pasaje que rodea la cámara de separación y a través de un pequeño orifico en el fondo del calorímetro.

Fig. Parte interna de un Calorímetro separador F) Calorímetro de estrangulamiento: La mayoría de los vapores saturados dan lugar a un vapor sobrecalentado cuando se los somete a un proceso de estrangulación. El estado de un vapor sobrecalentado está determinado por su presión y temperatura. La estrangulación causa normalmente una gran reducción del caudal. Así, la energía cinética antes del dispositivo de estrangulación es muy baja y resulta despreciable. Durante la estrangulación del fluido, hay un aumento de

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velocidad y, por tanto de energía cinética. No obstante, esta energía cinética desaparece a poca distancia del punto en que se produce la restricción. El hecho de que el fluido conserve o no una cantidad apreciable de energía cinética dependen del área trasversal del flujo, de la densidad del flujo y del caudal expresado en unidades de masa por unidad de tiempo. Es posible diseñar el dispositivo de estrangulación de manera que no haya una variación apreciable de la energía cinética. Si el estrangulador está diseñado de manera que no haya variación neta apreciable de la energía cinética ni intercambio apreciable de calor, no hay entonces una variación apreciable de entalpía y se puede considerar como un proceso de entalpía constante. El calorímetro de estrangulación está previsto para producir la estrangulación de vapores saturados, dando lugar así a vapores sobrecalentados cuya temperatura y presión pueden medirse. Éstas a su vez permiten la determinación de las demás propiedades. Al usar el calorímetro de estrangulación, se supone que la entalpía del vapor en el calorímetro, tal como queda determinada por la presión y la temperatura es igual a la del vapor en la tubería. Si se mide la presión en la tubería, entonces se puede determinar la calidad del vapor que circula por ésta: para una presión de saturación dada se pueden obtener de tablas hf y hfg (entalpías de líquido saturado y diferencia de entalpías entre éste y vapor saturado, ambos para dicha presión). Luego: A continuación se muestra la disposición típica de un calorímetro de estrangulación:

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MATERIALES Y EQUIPOS UTILIZADOS:

Válvula de entrada

1. Regular la válvula de admisión de vapor de agua hasta que la presión en el punto de entrada al calorímetro sea 20 psi aproximadamente.

2. Antes de abrir la válvula de entrada tener cuidado que la válvula de admisión no esté abierto para evitar el derrame de mercurio del barómetro diferencial. 3. Tomar los valores de la temperatura de admisión del vapor de agua (T); presión y temperatura en el estrangulador (P yT); el flujo de masa en el separador.

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4. Finalmente se mide el flujo de masa en el condensador tomando volumen en una probeta para cierto tiempo.

5. Repetir el paso anterior para presiones de 50 y 60 psi.

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HOJA DE DATOS

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CÁLCULOS Y RESULTADOS Datos tomados en el laboratorio ENTRADA

P 40 psi 50 psi 60 psi

T 165 °C 170 °C 162 °C

Salida del estrangulador P 1.5 pulgHg 2.3 pulgHg 3.0 pulgHg

T 150 °F 150 °F 150 °F

masa del líquido separado 10 ml 10 ml 10 ml

masa del vapor condensado 75 ml 115 ml 320 ml

Datos convertidos a medidas en el sistema internacional

ENTRADA

P 275.71 kPa 344.64 kPa 413.57 kPa

T 165 °C 170 °C 162 °C

Salida del estrangulador

P 5.0796 kPa 7.7887 kPa 10.1592 kPa

T 65.56°C 65.56°C 65.56°C

masa del líquido separado

masa del vapor condensado

10 ml 10 ml 10 ml

75 ml 115 ml 320 ml

Con esta tabla de datos se trabajar para hallar las caracteristicas del fluido en cada estado según las tablas de vapor en unidades del sistema internacional

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TABLAS

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TABLAS

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CONCLUSIONES 

En la gráfica podemos apreciar:

0.92

CALIDAD

0.9 0.88 0.86 0.84 0.82 0.8

medicion 1

medicion 2

medicion 3

Que nuestra toma de calidad aumenta conforme transcurre la secuencia de mediciones esto es correlativo con el aumento de presión.



Se puedo apreciar la finalidad del estrangulador el cual era elevar la calidad siendo: PUNTO 1

PUNTO 2

MEDICIÓN 1

0.8424

0.9548

MEDICIÓN 2

0.8733

0.9493

MEDICIÓN 3

0.9161

0.9447



Existen pérdidas de presión y temperatura en la tubería, que ocasionan que elvapor de agua de la caldera pierda calidad. Estas pérdidas pueden serocasionadas por envejecimiento de las tuberías y deficiencias en el aislamiento.

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OBSERVACIONES

 Se mejoraría los resultados trabajando con sustancias y equipo convenientes tales como el mantenimiento constante del caldero y trabajando con agua destilada para evitar la formación de sarro en el caldero.  Seria ventajoso contar con un equipo eléctrico que pueda medir la calidad en forma directa y de esta madera comprarla con el calorímetro

Medidor de flujo de vapor

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BIBLIOGRAFÍA:

LABORATORIO DEL INGENIERO MECANICO Autor: Saymour Doolittle GUIA DE LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA Mechanical Engineering Laboratory, J. Benton Jones - 2001

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