ESCUELA SUPERIOR POLITECNICA DEL LITORAL

FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMÁTICASTERMODINÁMICA QUÍMICAAÑO LECTIVO 2015-2016

Determinacion del título de vapor

Integrantes:

Jipson FrancoChristopher CheleDannes AguasAlejandra MaciasThalia Morales

Ing. Pablo Tejada Hinojosa

INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE TERMODINÁMICA

“TITULO DE VAPOR”

1. Resumen

En el siguiente informe se determino una propiedad termodinámica(titulo de vapor) por medio de un experimento con la ayuda de la caldera , para entonces es importante conocer que la caldera es un equipo de transferencia de calor que permite generar vapores de agua saturada o sobrecalentada para impulsar diversos procesos químicos; para entonces en esta practica se medira la calidad de vapor generado por la caldera, para su respectivo desarrollo se tomara por cada 30 segundo durante 5 minuto los cambios de temperatura generada en el respectivo recipiente con agua, y de modo también variando la presión de operación de la caldera, estas presiones fueron 28psi, 23 psi, 26psi. Con estos datos de presiones y temperatura se hallaran las respectiva entalpia, la cual se

debe interpolar para hallar H f ,H g y H fg .

Luego finalmente se realiza un balance de energía entre la entalpia con la temperatura inicial(ambiente y la máxima(caldera) se calculara la calidad de vapor.

2. Objetivo General

Determinar la calidad o título de vapor generado por el caldero del Laboratorio de Operaciones Unitarias de la FCNM, utilizando el método de condensación.

3. Marco Teorico

Una caldera es un aparato a presión en donde el calor procedente de cualquier fuente de energía se transforma en utilizable, en forma de energía térmica, a través de un medio de transporte en fase líquida o vapor. A la combinación de una caldera y un sobrecalentador se le conoce como generador de vapor. (absorsistem S.L, 2105)

El principio básico de funcionamiento de las calderas consiste en una cámara donde se produce la combustión, con la ayuda del aire comburente y a través de una superficie de intercambio se realiza la transferencia de calor.La estructura real de una caldera dependerá del tipo, no obstante, de forma generar podemos describir las siguientes partes:

Quemador: sirve para quemar el combustible.

Hogar: alberga el quemador en su interior y en su interior se realiza la combustión del

combustible utilizado y la generación de los gases calientes.

Tubos de intercambio de calor: el flujo de calor desde los gases hasta el agua se efectúa a

través de su superficie. También en ella se generar las burbujas de vapor.

Separador líquido-vapor: es necesario para separar las gotas de agua liquida con los gases

aún calientes, antes de alimentarla a la caldera.

Chimenea: es la vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber

cedido calor al fluido.

Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.

Objetivo de las calderas

Generar agua caliente para calefacción y uso general

Generar vapor para industria

Accionar turbinas de equipos mecanico

Suministrar calor para procesos industriales

La generación de vapor de agua se produce mediante la transferencia de calor del proceso de

combustión que ocurre en el interior de la caldera hacia el agua, elevando su temperatura,

presión y convirtiéndola en vapor.

Tipos de calderas

Hay algunas clasificaciones que se señalan acontinuacion

Según su movilidad

Fija o estacionaria

Móvil o portátil

Según la presión de trabajo

Baja presión 0 a 2,5 kg/cm2

Media presión 2,5 a 10 kg/cm2

Alta presión 10 a 220 kg/cm2

Supercríticas mas de 200kg/cm2

Según su generación

Calderas de agua caliente.

Calderas de agua sobrecalentada.

Calderas de vapor saturado.

Calderas de vapor sobrecalentado.

Según el ingreso de agua a la caldera

Circulación natural: el agua se mueve por efecto termico

Circulación forzada: el agua circular mediante el impulso de una bomba

Segun la posición relativa entre el fluido a calentar y los gases de combustión:

Con tubos múltiples de humo – Pirotubulares.

Con tubos múltiples de tubos de agua – Acuotubulares

Vapor Saturado

Conforme continúa la transferencia de calor, el proceso de evaporización continuara hasta evaporarse la última gota de líquido (vapor saturado). En este punto el cilindro está lleno de vapor, el cual se halla en el borde de la fase liquida y cualquier cantidad de calor que pierda lo hará condensarse (cambio de fase de vapor a liquido). Un vapor que está a punto de condensarse se llama vapor saturado, este estado 4 es un estado de vapor saturado.

Figura 1 A 1atm de presión, la temperatura permanece Constante en 100°C hasta que se evapora la última gota de líquido (vapor saturado).

Mezcla de líquido-vapor Una sustancia entre los estados 2 y 4 se conoce como vapor húmedo o una mezcla saturada de líquido-vapor, debido a que en estos estados las fases líquidas y vapor coexisten en equilibrio.

Figura 2 A medida que se transfiere más calor,parte del líquido saturado se evapora(Mezcla saturada de líquido-vapor)

Una vez completado, el proceso de cambio de fase terminal y se alcanza una región de una sola fase (esta vez vapor). En este punto, transferir más calor da como resultado un aumento de temperatura y de volumen específico (figura 3). (Yunes A Cengel, 2012)

Vapor Sobrecalentado En el estado 5 la temperatura del vapor es, por ejemplo, 300 °C; si se transfiere algo de calor del vapor, la temperatura descendería un poco pero no habría condensación siempre que la temperatura permanezca por encima de 100 °C (para P _ 1 atm). Un vapor que no está a punto de condensarse (es decir, no es vapor saturado) se denomina vapor sobrecalentado; por lo tanto, el agua en el estado 5 es un vapor sobrecalentado.

Figura 3 Conforme se transfiere más calor, la temperatura del vapor empieza a aumentar (vapor sobrecalentado)

Calidad de vapor

Un vapor húmedo se puede tratar como una combinación de dos subsistemas: el del líquido saturado y el del vapor saturado. Sin embargo, por lo general se desconoce la cantidad de masa en cada fase; por lo tanto, suele ser más conveniente imaginar que las dos fases se encuentran bien mezcladas y forman una mezcla homogénea (Fig. 3-33). Entonces, las propiedades de esta “mezcla” serán las propiedades promedio del vapor húmedo en consideración. Esto se ejemplifica a continuación. Un recipiente contiene un vapor húmedo. El volumen ocupado por el líquido saturado es Vf, mientras que el volumen del vapor saturado es Vg. El volumen total V es la suma de los dos:

Finalmente el título de vapor húmedo, es la cantidad de vapor seco que contiene la unidad de masa de vapor húmedo. Se representa por x. (Especialista, 2015)

X= ACAB

=Vprom−VfVg−Vf

=Vprom−VfVfg

V=Vf +xVfg

4. Materiales y equipos.-4.1 Materiales

Caldero pirotubular del Lab. OU Bureta

Línea de vapor Balde plástico o cubeta

Termómetro Probeta

Cronómetro

4.2 Reactivos Agua

5. Procedimiento.-5.1 Procedimiento sistema vapor de agua.- Depositar en la cubeta un volumen incial de 4 litros de agua, determinar la temperatura del

agua. Purgar la línea de vapor para eliminar el condensado. Dejar pasar un poco de vapor y luego burbujear en el recipiente con agua. Realizar medidas de temperatura cada 30 segundos hasta completar 10 determinaciones. Medir la presión de salida del vapor en el manómetro. Retirar la línea de vapor y medir el volumen final. Repetir dos veces más el mismo procedimiento con una presión de vapor diferente.

6. Datos experimentales.-

Tabla nº1 Primera determinación

V i1=miρH2O

,V f 1=mfρH 2O

Vi1=0,9658ft3 P1= 42,7PSI Vf1= 1.0589 ft3

Nº T(ºC) t(s)0 29.0 01 31.0 302 32.0 603 36.0 904 40.0 1205 42.0 1506 45.0 1807 48.0 2108 53.0 2409 55.0 27010 58.0 300

Tabla nº2 Segunda determinación.

Vi=0,9658ft3 P2=38.2PSI Vf2=1,0981ft3

Nº T(ºC) t(s)0 29.0 01 32.0 302 37.0 603 42.0 904 45.0 1205 48.0 1506 53.0 1807 57.0 2108 62.0 2409 65.0 27010 69.0 300

Tabla nº3 Tercera determinación.

V1=0,9658ft3 P3= 40.7PSI Vf3= 1.083 ft3

Nº T(ºC) t(s)0 29.0 01 33.0 302 37.0 603 42.0 904 45.0 1205 50.0 1506 54.0 1807 58.0 2108 63.0 2409 67.0 27010 71.0 300

7. Calculos

7.1 . cálculos específicos:

7.1.1 Cálculo de la masa inicial y final del agua

1era. Determinación

mi=60 lbmf=65 lb

2da. Determinación

mi=60 lbmf=67 lb

3era. Determinación

mi=60 lb

mf=66 lb7.1.2 Cálculo de la presión absoluta del vapor

P1= 42,7 psi P2= 38,2 psi P3= 40,7 psi

7.1.3 Determinación de la Entalpía del vapor (H g) y del líquido (H f ) , empleando tablas de

vapor (a través de las presiones absolutas).

P1= 42,7 psi

Entalpia de vapor liquido

243.49−236.1445−40

=243.49−H f

45−42.7

H f=240.11BTU / lbm

Entalpia de vapor gas0

1172.2−1169.845−40

=1172.2−H g

45−42.7

H g=1171.096BTU / lbm

Entalpia de vapor mezcla

928.68−933.6945−40

=928.68−H fg

45−42.7

H fg=930.98BTU / lbm

P2= 38.2 psi

Entalpia de vapor liquido

236.14−228.0340−35

=236.14−H f

40−38.2

H f=233.22BTU / lbm

Entalpia de vapor gas

1167 .2−1156.240−35

=1164.1−Hg

40−38.2

H g=1160.14 BTU / lbm

Entalpia de vapor mezcla

933.69−939.1640−35

=933.69−H fg

40−38.2

H fg=935.65BTU / lbm

P3= 40.7 psi

Entalpia de vapor liquido

243.49−236.1445−40

=243.49−H f

45−40 .7

H f=237 .17 BTU / lbm

Entalpia de vapor gas0

1172.2−1169.845−40

=1172.2−H g

45−40 .7

H g=1170 .136BTU /lbm

Entalpia de vapor mezcla

928.68−933.6945−40

=928.68−H fg

45−40.7

H fg=932.98 BTU / lbm

7.1.4 Determinación de la entalpía del líquido a la temperatura final del agua (H2),

1era. Determinación

Tf=58°C= 136.4 °F

107.99−97.99140−130

=107.99−H f

140−136.4

H f=106.19BTU /lbm

2da. Determinación

Tf=69°C = 156,2 °F

127,09−117.99160−150

=117.99−H f

160−156,2

H f=114.53BTU / lbm

3era. Determinación

Tf=71°C=159,8°F

127,09−117.99160−150

=117.99−H f

160−159,8

H f=117,81BTU /lbm

Cálculo del Título de vapor, en base a un balance de energía:

(m¿¿2−m1)(H 1−H 2)=m1Cp1(T 2−T 1)¿

H 1=H f+xH fg

Datos Experimento 1 Experimento 2 Experimento 3Temperatura inicial 302 302 302Temperatura final 331 342 344Presión 42.7psi 38.7psi 40.7psiHf 240.11BTU / lbm 233.22 BTU/lbm 237.17 BTU/lbmHg 1171.096BTU / lbm1160.14 BTU/lbm 1170.136 BTU/lbm

Hfg 930.98 BTU / lbm 935.65 BTU/lbm 932.98 BTU/lbm

H2 106,2 btu/lbm 114.53 btu/lbm 117,8 btu/lbmTitulo de vapor(x) 0,5462 0,5530 0,637

1era. Determinación

(65−60)(H 1−106.19)=60(1.800)(331−302)

H 1=732,95 BTU / lbm732,95=240.11+x (930.98)

x=0.5293

2da. Determinación

(67−60)(H 1−114,53)=60(1.8027)(342−302)

H 1=732,60 BTU / lbm732,60=233.23+x (9 35.65)

x=0.5337

3ra. Determinación

(66,5−60)(H 1−117,81)=60 (1,8031)(344−302)

H 1=816,9 BTU / lbm

816,9=237,17+x (932.98)

x=0.621

8. Analisis de Resultado

9. RecomendacionesVerificar que el caldero no este cargando, porque este paso hace que la presión leída en el manómetro sea errónea.Usar guantes térmicos para evitar quemaduras al momento de realizar la práctica.Tener cuidado al momento de vaciar el agua del contenedor recordar que el vapor que ingresa al contenedor está caliente, haciendo que el agua que se encuentra dentro del contenedor eleve su temperatura.Mantener una masa inicial constante para determinar la cantidad de agua que se condensa en la práctica.Vestir apropiadamente debido a que se usan líquidos en este caso agua a altas temperaturas.

10. Conclusiones Como resultado del experimento realizado, en las tres pruebas se observó que la

temperatura y el volumen aumentaron a medida que transcurría el tiempo, esto se debe a que a medida que pasa el tiempo el vapor es expulsado por medio de la manguera, el calor del mismo es absorbido por el agua presente en el tacho aumentando su temperatura y al mismo tiempo el vapor saturado se condensa aumentando la masa de agua presente en el tacho

Se logró determinar la calidad de vapor, generado por la caldera del laboratorio de Operaciones unitarias, obteniendo tres resultados diferentes 0.54, 0.55 y 0.63 cada título de vapor es diferente ya que se cerró una válvula que disminuye la presión de vapor que entra, permitiendo observar una relación entre el volumen final y la presión del agua.

Se obtuvieron títulos de vapor no muy eficientes esto puede ser porque la caldera es un tanto antigua, o porque puede haber una ligera transferencia de calor con el medio o incluso puede ser por errores al tomar los datos o al realizar los respectivos cálculos.

En la primera y en la segunda determinación podemos decir que existe casi un equilibrio entre la fase liquida y la fase vapor del sistema, un poco favorecida a la fase vapor.

11. Bibliografia

(24 de 11 de 2105). Obtenido de absorsistem S.L: http://www.absorsistem.com/tecnologia/calderas/descripci%C3%B3n-de-calderas-y-generadores-de-vapor

Especialista. (24 de 11 de 2015). Obtenido de fimaco SA: http://especialistas.org.ar/cie/files/material/Capitulo%205.pdf

Yunes A Cengel, M. A. (2012). Termodinamica. Mexico: Mc graw-Hill, 7ma edicion.