laboratorio de transferencia de calor i

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Laboratorio de transferencia de calor I Calidad del vapor en la caldera y pérdidas de calor en tuberías José Daniel Espinosa Romero Facultad de ingeniería en Mecánica y ciencias de la producción (FIMCP) Escuela Superior Politécnica del litoral (ESPOL) [email protected] RESUMEN INTRODUCCIÓN CALIDAD DEL VAPOR EN LA CALDERA En la presente práctica de laboratorio determinaremos la calidad del vapor generado por un intercambiador de calor. El calorímetro que se utilizará será el de estrangulamiento. El calorímetro se fundamenta en la expansión adiabática del vapor sin realizar trabajo externo por lo que la energía del vapor permanece constante, las pérdidas por convección han de reducirse al mínimo, para ello el calorímetro y el conducto de unión con la cañería de vapor han de estar aislados térmicamente. Calorímetro de estrangulamiento.- Se trata de un fenómeno termodinámico en el cual el vapor del tubo se expande adiabáticamente sin realizar trabajo alguno, en el cuál existe una caída de presión pero sus entalpías al inicio con una presión alta y al final con una presión baja son las mismas(h1=h2). Se puede observar dentro de un diagrama de Mollier que el vapor húmedo con entalpía mayor de 1150 BTU/lbm se supercalienta cuando se estrangula. El principio anterior se usa en varias formas en los calorímetros de estrangulamiento, uno de los cuales incorpora un pequeño orificio para la expansión del vapor hacia una cámara donde la temperatura del vapor estrangulado se encuentra a presión atmosférica.

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calidad de caldera y perdidas en tuberias

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Page 1: Laboratorio de Transferencia de Calor I

Laboratorio de transferencia de calor I

Calidad del vapor en la caldera y pérdidas de calor en tuberías

José Daniel Espinosa Romero

Facultad de ingeniería en Mecánica y ciencias de la producción (FIMCP)

Escuela Superior Politécnica del litoral (ESPOL)

[email protected]

RESUMEN

INTRODUCCIÓN

CALIDAD DEL VAPOR EN LA CALDERA

En la presente práctica de laboratorio determinaremos la calidad del vapor generado por un intercambiador de calor. El calorímetro que se utilizará será el de estrangulamiento.

El calorímetro se fundamenta en la expansión adiabática del vapor sin realizar trabajo externo por lo que la energía del vapor permanece constante, las pérdidas por convección han de reducirse al mínimo, para ello el calorímetro y el conducto de unión con la cañería de vapor han de estar aislados térmicamente.

Calorímetro de estrangulamiento.-

Se trata de un fenómeno termodinámico en el cual el vapor del tubo se expande adiabáticamente sin realizar trabajo alguno, en el cuál existe una caída de presión pero sus entalpías al inicio con una presión alta y al final con una presión baja son las mismas(h1=h2).

Se puede observar dentro de un diagrama de Mollier que el vapor húmedo con entalpía mayor de 1150 BTU/lbm se supercalienta cuando se estrangula.

El principio anterior se usa en varias formas en los calorímetros de estrangulamiento, uno de los cuales incorpora un pequeño orificio para la expansión del vapor hacia

una cámara donde la temperatura del vapor estrangulado se encuentra a presión atmosférica.

Para poder observar la práctica de una

mejor manera, si una muestra de este vapor

se estrangula a una presión menor entonces,

se volverá vapor sobrecalentado en el

punto. De esta manera conociendo la

temperatura y la presión en el punto 2 se

puede encontrar la entalpía h2. Para obtener

la calidad, si la entalpía a mayor presión

(h1) es la misma que a la presión

atmosférica (h2), podemos hallar la calidad

con la ecuación h1=h f+ x( hg−h f )

Ecuación 1 ecuación de entalpía a presión

mayor(anexos).

h1(BTu/lbm): entalpía a presión mayor

hf(BTu/lbm): entalpía en liquido comprimido de la presión mayor

hg(BTu/lbm): entalpía en gas saturado a presión mayor

x: calidad del vapor en zona de mezcla de la tubería.

Page 2: Laboratorio de Transferencia de Calor I

PERDIDAS DE CALOR A TRAVÉS DE TUBERÍAS

Una de los principales problemas que se tiene en las calderas son las perdidas de calor en las tuberías, ya que cuando existe un fluido caliente viajando a través de una tubería de acero o cobre u otro material, para disminuir las pérdidas de calor por radiación en tuberías de vapor, es importante el recubrimiento de las tuberías o aislantes, para impedir la transferencia de calor.

La cantidad de pérdida de calor depende de:

La diferencia de temperatura entre el flujo de vapor y el aire fuera de la tubería, inclusive el espesor de la tubería.

La velocidad del vapor dentro de la tubería.

El grado de humedad del vapor: por ejemplo si se trata de vapor saturado o supercalentado.

El estado en que se encuentra el aire rodeando la tubería, por ejemplo si está relativamente estancada en un cuarto ( coeficiente de transferencia de calor es mínimo), o en movimiento, abierta a la atmósfera (mayor coeficiente de transferencia de calor).

Las pérdidas en las tuberías son mayores cuando el coeficiente de transferencia de calor es mayor.

La presencia de humedad en el vapor y su condensación en las superficies facilita la transferencia de calor de la tubería. Cuando el vapor está supercalentado permite una reducción de temperatura sin que se deposite humedad en la turbina, lo que produce una disminución de las pérdidas de calor.

Existen ciertos factores que hay que tomar en cuenta para la diferencia de temperatura de dos fluidos, separados por una pared:

a) El material de la pared.b) El área normal al flujo de calorc) Las diferencias de temperatura.

d) El espesor de la pared.

De la ecuación de furier se obtiene la ecuación de tuberías con y sin aislamiento Ecuación 2 ecuación de flujo de calor en tuberías sin aislamiento,

∴Q=2π Kl ( t 1−t 2 ) /lnr 2r 1

KJ /hr

Ecuación 3 ecuación de flujo de calor en tuberías con aislamiento (anexos).

Q=2 πl( t 1−t 2)/( 1K 1

lnr2r1

+ 1K 2

lnr 3r 2

) KJ /hr

EQUIPOS E INSTRUMENTACIÓN:

Caldera

La caldera es una máquina o dispositivo de ingeniería diseñado para generar vapor. Este vapor se genera a través de una transferencia de calor a presión constante, en la cual el fluido, originalmente en estado líquido, se calienta y cambia su fase.

Ilustración 1 caldera 10 bar

Equipo Caldera 10BarMarca THOMPSONSerie G-2326Módelo MINIPAC 3Código 2971

Barómetro.- Un barómetro es un instrumento que mide la presión atmosférica. La presión atmosférica es el peso por unidad de superficie ejercida por la atmósfera. Uno de los barómetros más conocidos es el de mercurio.

Page 3: Laboratorio de Transferencia de Calor I

Ilustración 2 Barómetro

Calorímetro de estrangulamiento

Un calorímetro de estrangulación para vapor es un instrumento utilizado para determinar la calidad del vapor húmedo que fluye por un cabezal. Su funcionamiento se basa en el hecho de que cuando el vapor húmedo se estrangula suficientemente, se forma vapor sobrecalentado.

Ilustración 3 Calorímetro de estrangulamiento

Manifold

Un manifold es un acumulador de vapor que a su vez sirve para independizar el suministro de vapor a diferentes equipos o áreas, el manifold consta de varias válvulas de corte, tipo globo de fuelle, que permiten

o restringen el flujo de vapor a cada equipo de proceso o área, de esta manera se tiene un control de la distribución del vapor y un ahorro de energía, porque cuando un proceso o área sale de operación se corta el flujo de vapor, de esta manera no se tendrá vapor innecesario en las tuberías que no operan.

Ilustración 4 Medidor de condensados en tuberías con distintos recubrimientos

PROCEDIMIENTO

Calidad en la caldera

Primero se debió realizar una

introducción previo a realizar la

práctica, tales como normas de

seguridad del laboratorio y los

conceptos básicos del

funcionamiento de la caldera, y los

instrumentos a trabajar, luego de

tener claro los conceptos y

funcionamiento de la caldera, se

procede a encenderla caldera, al

llegar a la presión de trabajo y se

tenga vapor saturado en la

tubería, se dirige al calorímetro a

tomar medidas de presión y

temperatura utilizando el

manómetro de Bourdon y un

Manómetro Bourdon

Válvula de estrangulamiento

Page 4: Laboratorio de Transferencia de Calor I

termómetro, luego se abre con

mucho cuidado y con guantes de

seguridad la válvula que controla

el flujo de vapor hacia el

calorímetro de estrangulación y

espere que se de el equilibrio

térmico Ponga en funcionamiento

la línea de agua de alimentación al

tanque del calorímetro, Espere a

que la presión disminuya hasta un

valor estable y se toma las

medidas de temperatura, por

último se repite la toma de datos 4

veces regulando el flujo de vapor

que ingresa al calorímetro.

Perdidas de calor a través de

tubería

Luego del procedimiento para la

calidad, se dirige a los tubos

medidores de condensado, para

realizar la siguiente práctica se

debe asegurar de que todas las

válvulas estén cerradas en cada

brazo de prueba, la válvula del

cabezal de distribución (superior),

y además que las válvulas de

entrada y salida de los brazos de

prueba y la válvula de escape del

cabezal de recolección (inferior)

del vapor estén abiertas. Se abre

la válvula principal de vapor y

permita el paso de éste a través

de cada brazo de prueba hacia el

cabezal de recolección y a través

de éste hacia la línea de salida por

un periodo de tiempo muy corto.

Luego cierre las válvulas de

escape de cada brazo de prueba y

permita que el vapor se condense

hasta cuando se observe un nivel

en el medidor de cada brazo de

prueba. Cierre la válvula principal

de vapor y abra las válvulas de

escape de cada brazo, si es

necesario drene el condensado

hasta un nivel requerido.

Asegúrese que todas las válvulas

de escape al cabezal de

recolección estén cerradas y abra

luego la válvula principal de

suministro de vapor. Tome

lecturas periódicas de:

temperatura de superficie de

aislamiento, presión y temperatura

del suministro de vapor, y lectura

inicial y final del condensado.

Tomando un tiempo de Las

lecturas serán min para esperar el

equilibrio en el vapor de la tubería

y tener una lectura más precisa, la

lectura de la temperatura se

utilizará una termocupla, la cuál

funciona con un transductor,

transformando la temperatura en

una diferencia de potencial, y este

nos indica la temperatura de la

superficie, las lecturas serán

tabuladas y se usará el valor

promedio para efectos de cálculos.

RESULTADOS

Page 5: Laboratorio de Transferencia de Calor I

Tabla 1 Datos del calorímetro

Tabla 2 temperaturas en los tubos de condensado

T1(°C) T2(°C)

T3(°C) T4(°C) T5(°C)

T6(°C)

143 41 171,4 137,6 134 132

144 42 165,4 140,3 135 133

141 42 162,7 124,4 134 130

144 43 160,5 129,3 134 135

241 44 146,2 125 132 130

Tabla 3 diferencias de volumenes en tubos de condensado

Δc1(cm3)AISLANTE GRUESO

Δc2(cm3)AISLANTE FINO

Δc3(cm3)PINTURA NEGRA

Δc4(cm3)SIN RECUBR

21 41 105 8721 91 140 9142 98 175 13414 77 147 119

ANÁLISIS DE RESULTADOS:

Dentro de la práctica se pudo

determinar la calidad de la

caldera, primero se tuvo que

obtener la presión de la

atmosfera con el barómetro la

cual nos dio una presión de

749mmhg, que se esperaba

debido a que la presión está

alrededor de 760mmhg, la

presión de la caldera inicial es

de 10bar, y la temperatura del

vapor es de 184°C, en el

calorímetro se obtuvo los

datos de la temperatura del

vapor con la caída de presión

Tabla 4 Datos del calorímetro,

en el cuál si observamos las

temperaturas y las presiones

el vapor si está en estado de

vapor sobrecalentado, como se

esperaba al inicio de la

práctica, al hallar la entalpía y

encontrar la calidad obtuvimos

una calidad promedio de 0.98,

donde las calidades de todas

las muestras oscilaban entre

ese valor, lo que indica que la

toma de datos fue la correcta,

estamos observando que la

calidad es muy buena, debido

a que existen muchos factores

que implican la seguridad de la

caldera, y la calidad es uno de

los factores, debido a que si es

que hay humedad en el vapor,

esta humedad está a una

presión muy alta, y puede

fisurar las turbinas. Con

respecto al error

LaboratorioPresión atm mm Hg 749

CalderaPresión de caldera bar 10Temperatura Cal C 184

Calorímetro # Lectura P2 (psi) T2 (°C) T2 (°F)

1 14,1 126 258,82 13,4 128 262,43 13,3 132 269,64 9,4 131 267,8

Page 6: Laboratorio de Transferencia de Calor I

CONCLUSIONES Y

RECOMENDACIONES

En la práctica pudimos

comprender los fundamentos de

los calorímetros, al igual que su

funcionamiento, donde

comprobamos el proceso y

aseguramos que las entalpías son

iguales en una caída de presión

adiabática y sin realizar trabajo,

pudimos familiarizarnos con los

equipos e instrumentos para la

obtención de muestras, con el

correcto uso de los instrumentos y

aplicando un balance

termodinámico, pudimos obtener

la calidad del vapor , y

comprobamos que se encuentra

en la zona de mezcla, nos

familiarizamos con las tablas de

termodinámica y pudimos crear un

programa para calcular la calidad

del vapor, es importante conocer

el funcionamiento de la caldera y

poder conocer los elementos de la

misma, ya que de esta manera se

tiene en cuenta las medidas de

seguridad que se debe conocer en

el laboratorio.

Ahora conocemos la importancia

de los aislantes en las tuberías de

las calderas, debido a que de esta

manera no se pierde energía en la

caldera, pudimos comparar las

pérdidas de calor entre cuatro

tipos diferentes de materiales a

través de tuberías, pudimos

calcular el flujo de calor en cada

uno de ellos y además calcular la

conductividad térmica del

aislamiento, y se concluye que el

flujo de calor en una tubería

aislada es menor al flujo de calor

en una tubería sin aislamiento,

debido a que existe menos

resistencia térmica, y la

conductividad es menor del

aislamiento que la pared del tubo

sin aislar, y esto es de esperarse

debido a que mientras mayor es la

conductividad existe una mejor

transferencia de calor, y menor

resistencia térmica. Cuando existe

menor conductividad (aislantes),

existe mayor resistencia térmica,

esto quiere decir que hay menor

flujo de calor y reduce las pérdidas

en las tuberías.

Se recomienda tomar los

datos con mucho cuidado,

debido a que las tuberías

trabajan con temperaturas

muy elevadas, las cuales

podrían causar un accidente

Utilizar los equipos de

protección personal, tales

como mandil, gafas de

seguridad, debido a que se

trabaja con vapor y este

puede causar quemaduras

en caso de fugas.

Page 7: Laboratorio de Transferencia de Calor I

Complementar la toma de

datos con la teoría, debido a

que hay que ser capaces de

identificar si una medida es

errónea.

REFERENCIAS

ESPOL, Formato Reporte de

Laboratorio de Instrumentación

Básica

ESPOL, Guía de reporte de calidad

del vapor en la caldera, II término

2015-2016

ESPOL, Guía de reporte de

pérdidas de vapor en las tuberías,

II término 2015-2016

En la presente práctica

Page 8: Laboratorio de Transferencia de Calor I

Anexos:

PROGRAMA PARA OBTENER LA CALIDAD Y EL FLUJO DE VAPOR EN TUBERIAS, ADEMÁS DELA CONDUCTIVIDAD TÉRMICA DE CADA MATERIAL

clc ;

clear ;

display ('Bienvenidos al Programa de TFC ');

n=input('Ingrese datos tomados');

for i=1:n

T(i)=input('Ingrese dato de Temperatura ');

P(i)=input('Ingrese dato de Presión');

end

%t=input('Ingrese valor a Interpolar'); %Valor de Presion%

z=input('Ingrese la Propiedad a Evaluar , (1) hf (2) hg (3) vf (4) vg (5) Tsat ');

M=xlsread('Steam');

for i=1:8;

x(i)=M(i,1);

y(i)=M(i,z+1);

end

for i=1:n

hg(i)=interp1(x,y,P(i),'spline');

end

%Tsat%

z=input('Ingrese la Propiedad a Evaluar , (1) hf (2) hg (3) vf (4) vg (5) Tsat ');

M=xlsread('Steam');

for i=1:8;

x(i)=M(i,1);

y(i)=M(i,z+1);

end

for i=1:n

Page 9: Laboratorio de Transferencia de Calor I

Tsat(i)=interp1(x,y,P(i),'spline');

end

% Determinar h2 %

Cp=0.48;

for i=1:n

h2(i)=hg(i)+Cp*(T(i)-Tsat(i));

end

%DATOS A 10 BAR

a=327.70;

b=1193.5;

for i=1:n

xx(i)=((h2(i)-a)/(b-a));

end

x_var=(sum(xx)/n);

display(xx')

display(x_var')

CALCULO DE CALIDAD

La calidad se la encuentra por la siguiente expresión:

h1=h f+ x( hg−h f )h1(BTu/lbm): entalpía a presión mayor

hf(BTu/lbm): entalpía en liquido comprimido de la presión mayor

hg(BTu/lbm): entalpía en gas saturado a presión mayor

x: calidad del vapor en zona de mezcla de la tubería.

Page 10: Laboratorio de Transferencia de Calor I

Ecuación 4 ecuación de entalpía a presión mayor

x=h2−h f

hg−hf

Para poder calcular la calidad del vapor, se utilizó un programa codificado en Matlab:

Cp=0.48( BtuLbm° F )

De modo que para una libra tenemos:

T(°C)

1h const

T. sat

T. calder

2Tsh=T.2-Tsat

Page 11: Laboratorio de Transferencia de Calor I

Ecuación 5 entalpía a presión mayor

h 2=hg+Cp ∆ T=h 2g+0.48∆ Tsh

Donde ∆ Tsh en grados de recalentamiento en el punto 2 y se obtiene de:

∆ Tsh=(Temp . recalent 2−Temp . saturación P 2)

CALCULO DE FLUJO DE CALOR

Ecuación 6 ECUACIÓN DE FOURIER

Q=−KAdtdr

Q=−K 2 π rldtdr

dt= −QK 2 πl

dtr

∫t 2

t 1dt= −Q

k 2πl∫r 2

r 1 drr

Integrando:

Ecuación 7 ecuación de flujo de calor en tuberías sin aislamiento

∴Q=2 π Kl ( t 1−t 2)

lnr2r1

KJ /hr

Similarmente se obtiene la ecuación general:

Ecuación 8 ecuación de flujo de calor en tuberías con aislamiento

Q=2 πl( t 1− t 2)

1K 1

lnr 2r 1

+ 1K 2

lnr 3r 2

KJ /hr

2

1ln

221

r

r

lK

Qtt

Page 12: Laboratorio de Transferencia de Calor I

Donde:

Q = Flujo de calor KJ/hr

l = Longitud m.

r = Radios mm.

K = Coeficiente de conductividad térmica W/mK

t = Temperatura °C