Titulo de vapor

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FACULTAD DE INGENIERIA
Departamento de Ingeniería Mecánica





UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
SANTIAGO


TITULO DE LA EXPERIENCIA

___________________________" MEDICIÓN CON INSTRUMENTO MANUAL"___________________________________

EXPERIENCIA N° _2_Grupo N°_1_Fecha de la Exp_17/10/2014_ Fecha de Entrega _24/10/2014
NOMBRE ASIGNATURA__Materiales para Ingenieria___CODIGO_15105

CARRERA_Ing. De ejecución en Mecánica__Modalidad (Diurna o Vespertina)_Diurna_

NOMBRE DEL ALUMNO_____Marín__________Nanco_______________________________Guillermo_ Cristóbal____
Apellido Paterno Apellido Materno Nombre




________________________
Firma del alumno





Fecha de Recepción


Nota de Interrogación ________________ Nombre del Profesor __Gustavo Tapia____

Nota de Participación ________________

Nota de Informe ____________________
_________________________________
Nota Final __________________ ______ ________________ Firma del Profesor

SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X

________ Presentación ________ Cálculos, resultados, gráficos
________ Características Técnicas ________ Discusión, conclusiones
________ Descripción del Método seguido _______ Apéndice
OBSERVACIONES







Índice General

1. Resumen 2
2. 2. Objetivos: 2
2.1. Objetivo General: 2
2.2. Objetivos Específicos: 2
3. Materiales: 3
4. Metodología experimental 6
5. Presentación de Datos y Resultados: 8
6. Análisis de resultados y conclusiones: 8
7. Apéndice: 10











Resumen
En este informe se presentara lo realizado en la experiencia del laboratorio de termodinámica llamada "título de vapor", esto se realiza mediante una presentación de los objetivos, características técnicas de los instrumentos y equipos utilizados, luego se describe el método seguido, con esto se da paso a la presentación de resultados, a raíz de los resultados se presenta una conclusión. Además el informe contiene un apéndice donde se presenta la teoría de la experiencia, un desarrollo de cálculos, una tabla de valores obtenidos y calculados y una bibliografía.


2. Objetivos:
2.1. Objetivo General:
A través de la utilización y aplicación de principios termodinámicos, evaluar el título de vapor para un calorímetro de mezcla.

2.2. Objetivos Específicos:
Identificar las variables fundamentales que afectan la medición del título de vapor.
Verificar el comportamiento del calorímetro de mezcla en la determinación del título de vapor.
identificar errores asociados a la metodología utilizada en la medición del título de vapor.





Materiales:
Barómetro de Torricelli con termómetro de mercurio integrado:

-Barómetro: -tipo: analógico
-Marca: E. Schiltknecht, Ing. S.I.A. Zürich
-Sensibilidad de escala: 0.1 mmHg
-Error de medición: ±0.06
-Fluido de funcionamiento: mercurio
-Unidad de medida: mmHg
-Rango de operación: [590 – 830]

-Termómetro: -Tipo: analógico
-Marca: E. Schiltknecht, Ing. S.I.A. Zürich
-División de escala: 1
-Error de la medición: ±0.1
-Fluido de funcionamiento: mercurio
-Unidad de medida: °C
-Rango de operación: [-23; 57]





-Termómetro digital: marca: Fluke 52 II
Resolución: 0.1 °C
Rango de operación: -200°C a 1370°C
-Termocupla de inmersión: tipo k (aleación de cromo y aluminio)




-Caldera
Marca: i.var industry
Potencia mínima: 255/474 kW
Potencia máxima: 830 kW
Presión: 12 bar
Potencia eléctrica: 1400 kW
Alimentación: 380 V; 50 Hz
Categoría: Diésel 2
Procedencia: italiana
Año de fabricación: 2013
Norma de fabricación: EN 267





-Calorímetro de mezcla: Material de fabricación: bronce








-Balanza digital: Marca: NV-30
Rango de medición; 0 – 30 kg
Resolución: 0.002 kg


-Cronometro







Metodología experimental
Primero el profesor nos hace una breve introducción teórica sobre la experiencia, explicándonos lo que es el título de vapor y el grafico Presión- Entalpía con todos sus parámetros. En seguida procedemos a reconocer los distintos instrumentos que vamos a utilizar.
Para comenzar con la experiencia debemos masar el calorímetro vacío con su tapa y agitador, posteriormente se le coloca agua hasta un cierto punto bajo la tapa del calorímetro, se mide la temperatura del agua, y se masa el calorímetro con el agua, por diferencia de masas, se puede obtener la masa del agua, se coloca el calorímetro sobre una banquilla de metal haciendo que este quede a una altura adecuada para que la manguera por donde sale el vapor quede por debajo del nivel de agua, se coloca la manguera en el orificio central de la tapa, en otro orificio se coloca la termocupla de inmersión para medir la temperatura y en el otro orificio sale la pata del agitador. Una vez realizado esto se da el paso del vapor y cada un minuto se mueve verticalmente el agitador, tres veces y lentamente, con el fin de que el aumento de temperatura sea uniforme en todo el volumen de agua, hasta llegar a los 61 °C, que es la temperatura justo antes de que el agua que introducimos en el calorímetro se comience a transformar en vapor. Una vez alcanzada esta temperatura se corta el paso de vapor , luego se levanta suavemente el calorímetro, se retira el banquillo de apoyo y luego se baja suavemente el calorímetro, teniendo cuidado que al momento de retirar la manguera dándole un tiempo a esta para dejar escurrir el agua dentro del calorímetro y que no caiga nada afuera de este ya que eso implicaría una diferencia en la masa final de la mezcla, lo que radicaría en un error al momento de calcular su título y podría generar que se deba hacer nuevamente la experiencia. Una vez retirada la manguera, se masa el calorímetro, la masa obtenida corresponde a la masa del calorímetro más la masa del agua y la masa de vapor, por lo que se puede obtener la masa de vapor por diferencia de masas, una vez obtenidos todos los datos, se procede a determinar el título de vapor del agua.

En la siguiente imagen se muestra el calorímetro con la manguera, el calorímetro y el agitador.





















Presentación de Datos y Resultados:
A continuación se presentan los datos tomados y los resultados obtenidos
Presión atmosférica sin corregir [MPa]
0.09585
Presión atmosférica corregida [MPa]
0.0954
Presión generada [bar]
10
Presión final [MPa]
1,0954
Energía interna inicial [kJ/kg]
93,951
Energía interna final [kJ/kg]
255.346
Entalpia de vapor [kJ/kg]
1794,908
Entalpia de formación [kJ/kg]
780.178
Entalpia de la mezcla [kJ/kg]
2000,356
Título de vapor
0.507

Análisis de resultados y conclusiones:
El valor obtenido del título de vapor obtenido es de 0,507 lo cual está en el rango del título entre 0 y 1 por lo que estamos en un valor correcto, además nos dice que hay un 50,7% de gas en masa en la mezcla que fue agregado desde la caldera al agua líquida en el calorímetro ya que si fuera solo gas entregado debería haber sido 1 o muy cerca de 1 el título de vapor ya que hablamos de un cálculo real con pérdidas y aproximaciones de valores, entonces el agua entregado por la caldera tenía una cantidad de agua líquida pero en menor cantidad que la parte gaseosa.
En el ensayo pueden haber existido errores los cuales se trataron de evitar pero por cosas de que no se puede evitar como el caso de fugas en el calorímetro por un mal sellado de tapa o por mal manejo de la manguera de la caldera que al desencajarla podemos haber dejado parte de la masa de líquido, también desde cuándo se llevó a masar el calorimetro con la mezcla has que se tenía encima de la balanza hubo una pérdida constante de vapor que salía por los agujeros, por lo cual hubo una pérdida de la masa total de la mezcla.
El tiempo transcurrido en llegar a la temperatura deseada 61 Co fue de aproximadamente de 6 minutos, los cuales pueden variar dependiendo por ejemplo para apurar el proceso se podría haber abierto más la válvula de la caldera para que hubiera un flujo másico mayor por lo cual hubiera habido más energía que intercambiar así se habría calentado mucho más rápido el agua o haber ensayado con un vapor sobrecalentado lo cual hubiera acelerado bastante el proceso pero lo cual también hay que pensar que nos genera más gasto de energía en la caldera problema que es de analizar a la hora de pensar si es mayor el costo por el beneficio, por lo cual se debe ver un método más óptimo y viable en nuestro caso, solo la experiencia fue para fines académicos por los cual no entraremos en ese tema

También pueden ser otro fluidos aparte del agua los que pueden pasar por un proceso así como los refrigerantes también pueden poseer un título, pero el agua tiene unas ventajas para el caso de tener un fluido energético para ocupar en la industrias, ya que su elevado calor latente (hfg) de cambio de fase del orden de 2500[kJ/kg] y baja densidad hacen que el vapor de agua sea muy eficiente para las operaciones de calentamiento, además como vapor es capaz de transportar gran cantidad de energía por unidad de masa debido al cambio de fase. En esta experiencia transferimos energía de la caldera por medio del vapor para calentar el agua, este proceso es capaz de ser efectuado gracias a que la caldera aumenta su entalpia por el calor de la combustión de un combustible en nuestro caso petróleo y luego este vapor cede esta energía captada para calentar en nuestro caso el agua o en otro caso generar energía mecánica como en una turbina.
En el tiempo la utilización del vapor como energía ha ido evolucionando desde la Revolución Industrial, en cuyo desarrollo tuvo un papel relevante para mover máquinas y aparatos tan diversos como bombas, locomotoras, motores marinos, etc. Las modernas máquinas de vapor utilizadas en la generación de energía eléctrica no son ya de émbolo o desplazamiento positivo como las descritas, sino que son turbo máquinas; es decir, son atravesadas por un flujo continuo de vapor y reciben la denominación genérica de turbinas de vapor.




Apéndice:
Marco teórico:

El título de vapor corresponde a la fracción en masa (o peso) de la mezcla total que corresponde al vapor, su determinación puede ser realizada utilizando un calorímetro de mezcla, de Ellison o de expansión y un sobre calentador.

CALORÍMETRO DE ELLISON.

El principio de funcionamiento de este calorímetro, que se muestra en la figura 1, corresponde al de una expansión adiabática ocurrida, o que se registra, cuando el vapor sale de la válvula hacia la cámara de expansión. En particular, el vapor que se encuentra en una condición de mezcla húmeda y del cual se desconoce la calidad, es susceptible de ser sobrecalentado por medio de una expansión a presión atmosférica.



Figura 1.

CALORÍMETRO DE MEZCLA.


El calorímetro de mezcla que es representado en la figura 2, permite contener en su interior una determinada cantidad de agua en estado líquido, la cual al estar a temperatura ambiente, actúa como medio condensante del vapor que es introducido al calorímetro y sobre el cual se desea conocer su título. La medición de propiedades tales como temperatura, masa y presión antes de la mezcla así como una vez alcanzado el equilibrio entre el vapor y el agua, permiten a través de un balance energético, determinar la calidad del vapor introducido.





























Figura 2.



SISTEMA DE EXPANSIÓN CON APORTE DE CALOR (SOBRE CALENTAMIENTO)

Como en el proceso de expansión descrito para el calorímetro de Ellison puede darse el caso, que el vapor a estudiar no tenga suficiente energía para sobrecalentarse a presión atmosférica, a veces es necesario incorporar calor a la muestra extraída. Este sistema en si denominado de proceso de sobrecalentamiento permite el título de vapor a través de un balance energético midiendo previamente la presión, temperatura, energía disipada al vapor y flujo de masa. El dispositivo empleado para estos efectos es mostrado en la figura 3.




Figura 3.



b) Desarrollo de cálculos:


Primera parte de la experiencia:
Primero debemos hacer la corrección de la Presión medida en el barómetro de igual manera que se realizó en la experiencia de "Mediciones Básicas", para ello medimos la presión que nos da el barómetro y la temperatura ambiental:
Obtenemos los valores de la presión y la temperatura a través del barómetro y su termómetro adherido:
P= 719 mmHg
T= 23°C
Procedemos con las correcciones:
Por Temperatura: debemos interpolar dos puntos, según la temperatura de 23°C, para obtener una ecuación lineal de la forma y-y0=m(x-x0), estos puntos serán:
(710; 2,66) y (720; 2,69)
Primero obtendremos la pendiente:
m=y-y0(x-x0)=2,69-2,66720-710=0,003
Ahora para poder obtener el valor de la corrección a 719 mmHg reemplazamos en la ecuación:
x-2,43=0,003(719-710)
Despejando x obtenemos
x= ± 2,4570
Por Latitud: La Universidad de Santiago ubicada en Avenida Libertador Bernardo O'Higgins nº 3363, Estación Central, Santiago, Chile se encuentra a una latitud de -33,448° el signo negativo se debe a que nos encontramos al sur de la línea del ecuador, pero no será tomado en cuenta para nuestro calculo. Ya que esta latitud se encuentra en la tabla 2 debemos interpolar dos puntos para obtener una ecuación lineal de la forma y-y0=m(x-x0), estos puntos serán:
(30°; 0,98) y (35; 0,67)
Primero obtendremos la pendiente:
m=y-y0(x-x0)=0,67-0,9835-30=-0,062
Ahora para poder obtener el valor de la corrección a 719 mmHg reemplazamos en la ecuación:
0,67- x =-0,062(35-33.448)
Despejando x obtenemos
x= ± 0,76622
Por Altitud: según la tabla 3 el valor de esta corrección es de ±0,1, no es necesario interpolar ya que es el mismo valor para la presión de 700 mmHg como para los 800mmHg.
Error Instrumental: por las características técnicas del barómetro este error tiene un valor de ±0.06

Así la Presión corregida nos queda:
Pcorregida=Pmedida±Ct°±Ch±Cl+Error Instrumental
Pcorregida=719-2,457-0,76622-0,1+0,06
Pcorregida=715,6468 mmHg =0.0954 [MPa]
Presión manométrica: 10bar= 1 [MPa]
Presión absoluta: 1,0954 [MPa]=1095,4[KPa]
Masa calorímetro =11,706kg
Masa cal con agua =21,970kg
Masa final =23,046
MH20= 21,970 – 11,706 = 10,264kg
Mvapor = 23,046 – 21,97 = 1,076 kg
Masa final mezcla=11,340kg

Calculo de la entalpia interna:
De la siguiente ecuación se despejara la entalpia del vapor:
MH20*UH2O+MV*hV=Mfinal*Ufinal
hV=Mfinal*Ufinal-MH20*UH2OMV
Debemos calcular los valores de la energía interna específica del agua a la temperatura inicial y final del sistema.
Energía interna especifica del agua a temperatura inicial:
Como el valor de la temperatura inicial es 22,4 [°C] se debe interpolar entre temperaturas 20 [°C] y 25 [°C]


Temperatura [°C]
20
22,4
25
Energía interna especifica [kJ/kg]
83,913
u
104,83


u=83,913+22,4-20*104,83-83,91325-20=93,951[kJ/kg]

Energía interna especifica de la mezcla a temperatura final:

Como el valor de la temperatura final es 61 [°C] se debe interpolar entre temperaturas 60 [°C] y 65 [°C]

Temperatura [°C]
60
61
65
Energía interna especifica [kJ/kg]
251.16
u
272.09

u=251.16+61-60 272.09-251.1665-60=255.346

Ahora se puede despejar la entalpia específica del vapor:

hv=mf uf-mH2O uH2omv = 11,34*255,346-10,264*93,9511,076 = 1794,908 kJkg

Ahora, ingresando a las tablas de termodinámica por presión se puede obtener hf y hg

Presión [kPa]
1000
1095,4
1100
entalpia especifica liquido saturada [kJ/kg]
762,51
hf
781.03

hf=762,51+1095,4-1000 781.03-762,511100-1000=780,178 kJkg



Presión [kPa]
1000
1095,4
1100
entalpia especifica vapor saturada [kJ/kg]
2777,1
hg
2780,7

hg=2777,1+1095,4-1000 2780,7-2777,11100-1000=2780,534 kJkg

Por lo que hfg= hg-hf=2000,356kJkg

x=hv-hfhfg=1794,908 -780,1782000,356=0,507



Tabla de datos obtenidos y calculados:

Presión atmosférica sin corregir [MPa]
0.09585
Presión atmosférica corregida [MPa]
0.0954
Presión generada [bar]
10
Presión final [MPa]
1,0954
Energía interna inicial [kJ/kg]
93,951
Energía interna final [kJ/kg]
255.346
Entalpia de vapor [kJ/kg]
1794,908
Entalpia de formación [kJ/kg]
780.178
Entalpia de la mezcla [kJ/kg]
2000,356
Título de vapor
0.507




d) Bibliografía:

http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap_08/cic-vapor.htm
Informe de laboratorio N°3 "Título de Vapor"
http://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_vapor