Pachacama Danny _t_calorímetros

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

CARRERA DE INGENIERIA MECÁNICA

ASIGNATURA: LABORATORIO DE TERMODINÁMICA

NRC: 7229

INFORME N° 3: CALORÍMETROS

INTEGRANTE: DANNY PACHACAMA

FECHA: 08 DE JULIO DE 2020

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE TERMODINÁMICA

TEMA: CALORIMETROS

OBJETIVO: Calcular la Calidad (X) a través de datos experimentales.

MARCO TEORICO: Vapor. - Es el gas que resulta de la vaporización de un líquido o de la sub licuación de un sólido. La aplicación de calor a un líquido sujeto a presión, da lugar a un cambio de estado físico, es decir, el líquido se convierte en vapor. Sí se continúa aplicando calor hasta la que la última partícula del líquido se haya evaporado, resulta vapor saturado y seco. Clases de vapor: a) Vapor saturado. - Se obtiene cuando la presión del vapor depende únicamente de la temperatura, y en condiciones especiales, el vapor se puede encontrar en equilibrio con la fase líquida. b) Vapor seco. -Se obtiene cuando la fase líquida ha desaparecido totalmente. Esto se logra cuando incrementamos la temperatura al vapor saturado, sin que este llegue a alcanzar la temperatura critica. c) Vapor recalentado. - Es el vapor de agua empleado como fuerza electromotriz, este se obtiene, al calentar el vapor seco, siempre por debajo de la temperatura critica. Vaporización. - Es el proceso para convertir el agua en vapor, dentro del recipiente cerrado llamado caldera. Para obtener una buena vaporización es necesario la circulación del agua. El agua debe circular, porque si permanece estable rápidamente alcanzaría su estado esferoidal y el metal de la caldera que constituye la superficie de calefacción, se quemaría debido a la intensidad del calor que está

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soportando sin refrigeración. “El estado esferoidal” es la condición física que adquiere el agua, cuando al estar en contacto con un metal a grandes temperaturas, se transforma en numerosas gotas esféricas. Calidad del vapor. - Representa la cantidad de vapor que se encuentra en la mezcla saturada; es decir, la razón de la masa de vapor a la masa de la mezcla: Humedad del vapor. - Es el porcentaje de agua contenida en un vapor saturado y húmedo. Combustión. - Es la oxidación rápida del carbono contenido en un combustible con el oxígeno del aire. Los productos de la combustión son: calor, luz y gases quemados. Calorímetros. - Son los aparatos que miden experimentalmente la calidad de los vapores húmedos. Calorímetro de estrangulación: 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. Calorímetro de Separación: Es aquel que separa la humedad del vapor y lo deja como seco a través de un filtro, es decir este calorímetro actúa como un filtro.

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EQUIPO UTILIZADO CALDERO 15 HP

CALORIMETROS

1.- DEPÓSITO 2.- LLAVE DE INGRESO DE AGUA AL DEPÓSITO 3.- TERMÓMETRO DE TEMPERATURA DE INGRESO 4.- TUBOS DE ENTRADA DE AGUA 5.- LLAVES 6.- CALORÍMETRO DE EXTRANGULACIÓN 7.- CALORÍMETRO DE SEPARACIÓN 8.- TERMÓMETRO DE TEMPERATURA DE INGRESO AL CALORÍMETRO DE EXTRANGULACIÓN 9.- CONTROLADOR DE VOLUMEN DE SEPARACIÓN DE HUMEDAD 10.- BARÓMETRO DE PRESIÓN EN LOS CALORÍMETROS 11.- BARÓMETRO DE PRESIÓN DE AGUA QUE INGRESA DEL CALDERO AL DEPÓSITO 12.- SALIDA DE VAPOR 13.- CONDENSADOR 14.- TERMÓMETRO DE SALIDA DEL CONDENSADOR 15.- TERMÓMETRO DEL CONDENSADO 16.- TERMÓMETRO DE INGRESO AL CONDENSADOR

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PROCEDIMIENTO: 

Se Observa que el tanque de el caldero de 15HP este con combustible y se encuentren abiertas las llaves de paso de agua,



Se debe Observar que se encuentren todas las llaves de paso de vapor hacia el distribuidor (salchicha) cerradas.



Prender el switch principal del caldero y encender el equipo, observar que se inicie el proceso de combustión,



Esperar un lapso de 10 minutos y abrir la llave de paso inferior para evacuar el condensado del proceso anterior, y abrir la llave superior para permitir el paso del vapor hacia el distribuidor (salchicha).



Esperar hasta que el manómetro principal marque la presión deseada y en primera instancia se apague el equipo por seguridad, en ese momento abrimos la llave del distribuidor y la llave de paso de vapor hacia los calorímetros, en ese momento estaremos listos para iniciar la práctica,



Primero realizamos la prueba en el calorímetro de estrangulación cada dato por un minuto, Para la primera etapa las válvulas A y C se encuentran cerradas y solo la válvula B abierta. En esta I Etapa Funciona el calorímetro de estrangulación.

XT 



Después realizamos los datos en el calorímetro de separación durante un minuto cada dato, Para esta segunda etapa todas las válvulas A y C están abiertas y la

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válvula B se encuentran cerrada. En esta segunda Etapa Funcionan ambos calorímetros.

XR = XS *XT 

Al terminar la práctica dejamos que se cargue el equipo completamente y procedemos a apagar, cerramos las llaves del distribuidor y la llave principal de la salida de vapor del caldero, verificamos que estén cerradas las llaves de agua, al mismo tiempo el equipo debe quedar limpio y ordenado.



Registrar los datos en la hoja de datos,

TABLA DE DATOS: DATOS DE CALORIMETROS DE ESTRANGULACIÓN P2

T1

P1

T2

(mm Hg)

( C)

(Bar)

( C)

( C)

( C)

( C)

(cm

60

165

6.5

84

21

69

26

175

80

165

8.0

84

21

72

28

175

100

165

8.5

86

21

74

32

200

120

160

7.0

87

21

77

34

200

140

160

7.0

88

21

79

42

200

o

o

Tent H2O o

Tsal H2O

Tcond

o

o

Vcond

Tabla 1: Datos de calorímetros de estrangulación

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Calorímetros de estrangulación y de separación: P2

T1

P1

Nivel de T2 Humedad

TENTH2O

TSALH2O

TCOND

VCOND

(mmHg)

(ºC)

(Bar)

(cm )

(ºC)

(ºC)

(ºC)

(ºC)

(cm )

60

165

8,5

8

86

21

65

22

175

80

165

8,0

8

87

21

70

26

175

100

165

7,5

8

88

21

74

32

200

120

165

8,5

8

89

21

76

32

200

140

165

8,0

12

90

21

78

40

200

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Tabla 2: Datos de calorímetros de estrangulación y de separación

TABLA DE RESULTADOS Pabsoluta = Patmosférica + Pmanométrica PQuito = 10.4 [psi] Presiones absolutas P1(abs) kpa 721,7055 871,7055 921,7055 771,7055 771,7055

P2(abs) kpa 79,7048 82,37124 85,03768 87,70412 90,37056

Tabla 3: Presiones absolutas en kPa

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Calorímetros de Estrangulación: ETAPA I Cpo (KJ/KgºK)

T2

T2’

hf1

hg1

hfg1

h2’

(ºK)

(KJ/Kg)

(KJ/Kg)

(KJ/Kg)

(KJ/Kg)

XT

(TCOND)

(ºK)

(P2)

(T1)

(T1)

(T1)

(P2)

(Fórmula)

4,181 4,179 4,178 4,178 4,179

357,150 357,150 359,150 360,150 361,150

366,390 367,220 368,060 368,900 369,740

697,24 697,24 697,24 675,47 675,47

2762,8 2762,8 2762,8 2757,5 2757,5

2065,6 2065,6 2065,6 2082 2082

2664,77 2666,12 2667,46 2668,8 2670,15

0,934 0,933 0,936 0,940 0,941 0,937

Tabla 4: Resultados en la etapa 1 del calorímetro de estrangulación

Calorímetros de Estrangulación y de Separación: Pabsoluta = Patmosférica + Pmanométrica PQuito = 10.4 [psi] ETAPA II Vf seco

Vf1humedo

CSeco

CHumedo

m vapor seco

m humedo

Xs

XR

(m3/Kg)

(m3/Kg)

(m3/min)

(m3/min)

(Kg/m)

(Kg/m)

Fórmula

0,001002

0,001

0,000167

0,000008

0,1666

0,0079

0,954

0,891

0,001002

0,001

0,000167

0,000008

0,1666

0,0078

0,955

0,891

0,001002

0,001

0,000192

0,000008

0,1916

0,0075

0,962

0,901

0,001002

0,001

0,000192

0,000008

0,1916

0,0075

0,962

0,905

0,001002

0,001

0,000188

0,000012

0,1876

0,0108

0,945

0,890

Fórmula

0,896 Tabla 5: Resultados en la etapa II de calorímetros de estrangulación y de separación

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EJEMPLO DE CALCULOS 

Encontrar la calidad en el calorímetro de estrangulación (XT),



Encontrar la calidad en el calorímetro de separación (XS),



Encontrar la calidad total (XR).

HOJA DE CÁLCULO Calorímetros de Estrangulación: Cpo se encuentra en las tablas de Cpo a la TCOND T2´ es la T de saturación a la P2 hf1 es la hf a T1 hg1 es la hg a T1 hfg1 es la hfg a T1 Pabsoluta = Patmosférica + Pmanométrica PQuito = 10.4 [psi] -> 71,7 kPa Pmanométrica =60 mmhg -> 7,999 kPa Pabsoluta = 71,7 + 7,99 = 79,70 kPa

XT 

𝑋𝑇 =

h2´  C p 0 (T2  T2´ )  hf1 h fg1

2664,77 + 4,181(357,15 − 366,39) − 697,24 = 0.93 2065,6

Calorímetros de Estrangulación y de Separación:

XT 

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h2´  C p 0 (T2  T2´ )  hf1 h fg1 ELABORADO POR ANALISTA DE LABORATORIO JAIME ROBERTO BUENAÑO ABARZA

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m vaporseco 

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟𝑠𝑒𝑐𝑜 =

Cvaporseco vf vaporseco

0,000167 = 0,166 0,001002

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑜 =

𝑚𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑜 =

Xs 

𝑋𝑠 =

𝐶𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑜 𝑣𝑓𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟ℎ𝑢𝑚𝑒𝑑𝑜

0,000175 = 0,0079 0,022

m vaporsec o m vaporsec o  m vaporhumedo

0,1666 = 0,954 0,1666 + 0,0079 XR = XS *XT

𝑋𝑅 = 0,954 ∗ 0,93 = 0,89

Promedios Calidad del calorímetro de estrangulación

0,937

Calidad del calorímetro de separación

0,956

Calidad Total

0,896

CONSULTAS.  Indique que clases de caldero existen, su funcionamiento y aplicaciones, Principales tipos de calderas Calderas pirotubulares

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Tienen un sistema de tuberías que atraviesan tanques de contención de líquidos. Las tuberías transportan gas a altas temperaturas y los fluidos, al contacto con los tubos se evaporan y forman el vapor saturado. Es decir, son aquellas en las que los humos de la combustión circulan por el interior de los tubos y el agua por el exterior. Su uso en la actualidad es para calefacción y producción de vapor para usos industriales (Producción de agua caliente o sobrecalentada).

Fig. 1: Caldera tipo pirotubular

Calderas acuotubulares En este tipo de calderas es el agua o fluido térmico que se pretende calentar, es la que circula por el interior de los tubos que conforman la cámara de combustión y que están inmersos entre los gases o llamas producidas por la combustión. El vapor o agua caliente se genera dentro de estos tubos. Es decir, son aquellas en las que el agua circula por el interior de los tubos y los humos de combustión por el exterior de estos. Son los más usados en centrales termoeléctricas.

Fig. 2: Caldera tipo acuptubular

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Calderas humutubulares En estas calderas son los humos los que circulan por dentro de tubos, mientras que el agua se calienta y evapora en el exterior de ellos. Todo este sistema está contenido dentro de un gran cilindro que envuelve el cuerpo de presión.

Fig. 3: Caldera humutubular

Calderas de vaporización instantánea Es una variación de las calderas anteriores, denominadas calderas de vaporización instantánea las cuales pueden ser representadas por un tubo calentado por una llama, en el que el agua entra por un extremo y sale en forma de vapor por el otro lado. Dado que el volumen que volumen posible de agua es relativamente pequeño en relación a la cantidad de calor que se inyecta en un corto tiempo la caldera está preparada para dar vapor en las condiciones requeridas. En esta caldera se destaca que el caudal de agua inyectada es prácticamente igual al caudal de vapor producido, por lo que un desajuste en el calor aportado produciría agua caliente o vapor sobrecalentado según sea el calor mayor o menor al requerido.

Fig.4: Calderas de vaporización instantánea

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 Enumere e indique los accesorios principales de un caldero. Los accesorios de la caldera son todos los elementos útiles y necesarios para permitir y o controlar el buen funcionamiento del equipo generador de vapor. Cada uno de los accesorios tiene una función específica que cumplir cuando el equipo está en servicio. Y se pueden clasificar como sigue:

Fig. Componentes de un caldero

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Fig. Conexiones y accesorios en una caldera pirotubular

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Accesorios de Observación: 1.

Indicadores de nivel de agua: Toda caldera deberá estar provista, a lo Menos, de dos indicadores de nivel de agua, independientes entre sí. Uno de ellos deberá ser de observación directa del nivel de agua, del tipo tubo de vidrio.

2. Indicadores de presión: Toda caldera deberá estar provista de uno o más manómetros, que se conectarán a la cámara de vapor de la caldera Mediante un tubo que forme un sello de agua. 3. Analizadores de gases: Son aparatos que sirven para controlar la calidad de la combustión dentro del hogar, a través del análisis de los gases que salen por la chimenea. 4. Indicadores de temperatura: Son instrumentos destinados a medir la temperatura, ya sea del agua de alimentación, del vapor, de los gases de la combustión del petróleo, etc.

Accesorios de Seguridad: 5. Válvulas de seguridad: Tiene por objeto dar salida al vapor de la caldera cuando ésta sobrepasa a la presión máxima de trabajo. 6. Tapón fusible: El tapón fusible, es un elemento que permite el paso de vapor y agua hacia el hogar, cuando el nivel de agua en la caldera baja más allá del mínimo permitido. 7. Alarmas: Toda caldera dispondrá de un sistema de alarma, acústica o visual, que funcione cuando el nivel de agua alcance el mínimo o el máximo, deteniendo a la vez, el funcionamiento del sistema de combustión, cuando se alcance el nivel mínimo de agua.

Accesorios de Alimentación de Agua:

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8. Bombas: Este accesorio al igual que el inyector, nos permite reponer el agua que se ha vaporizado en el interior de la caldera. Entre éstas, tenemos las Bombas Centrífugas y las de émbolo. 9. Inyectores: Los inyectores, son dispositivos que funcionan con el mismo vapor que produce la caldera y son capaces de descargar agua a una presión mayor que la presión interna de la caldera.

Accesorios de Limpieza 10. Puertas de inspección: Según sus dimensiones se llaman puertas de hombre o tapas de registro. Éstas últimas sólo permiten el paso de un brazo. Ambas puertas sirven para efectuar limpiezas o inspecciones en el interior de los colectores principales o de los tubos según sea su ubicación. 11. Llaves de purga: Entre las llaves de purga, se pueden distinguir las válvulas de extracción de fondo y las de extracción de superficie. La primera de ellas va ubicada en las partes más bajas de la caldera y sirven para extraer los lodos o barros provenientes de la vaporización de las aguas duras y acción del uso de los desincrustantes.

Accesorios de Control 12. Retardadores: Consisten en una plancha lisa, del mismo ancho que el diámetro interior del tubo, torcida en forma de hélice, la que se mete en el tubo de caldera. Los gases calientes tienen ahora que recorrer un camino mayor, siendo más lento el paso de ellos por el interior de los tubos y entregando mayor cantidad de calor al agua. 13. Presostatos: Son accesorios que funcionan sobre la base de la máxima y mínima presión de trabajo de la caldera. Actúan sobre el quemador, apagándolo al llegar a la máxima presión para lo cual fue regulado y encendiéndolo al alcanzar la mínima presión deseada. 14. Termostato: Son accesorios que funcionan de acuerdo a la temperatura del agua. Apagan el quemador cuando se obtiene la máxima temperatura para la cual fue regulada.

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15. Control de nivel de agua: Los controles de nivel de agua, tienen por objeto controlar que el agua, dentro de la caldera, se mantenga en un valor o en un rango pre-determinado. 16. Control de la llama: Mediante una celda fotoeléctrica se controla la llama (su largo) impidiendo la alimentación de combustible, en caso de que ésta no exista en el hogar. 17. Control del encendido (chispa): Por medio de este control, se impide que salga combustible sin que exista la chispa para encender

 Realice un proceso industrial en donde se encuentre un caldero indicando que función cumple en dicho proceso. Central térmica

Fig. Esquema de una central termoeléctrica

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Una central térmica para producción de energía eléctrica es una instalación en donde la energía mecánica que se necesita para mover el rotor del generador, y por lo tanto obtener la energía eléctrica, se obtiene a partir del vapor formado al hervir el agua en una caldera. Una central térmica se compone de una caldera y de una turbina que mueve el generador eléctrico. La caldera es el elemento fundamental, y en ella se produce la combustión del carbón, fuel o gas. Proceso Primeramente, se realiza la combustión de un combustible fósil, que genera enormes cantidades de calor que servirán para transformar el agua en vapor. Luego el vapor a presión que sale de la caldera hace girar la turbina para que posteriormente en el generador, la energía mecánica producida por la turbina se convierte en energía eléctrica. Finalmente, el vapor que sale de la turbina vuelve a transformarse en agua líquida para iniciar de nuevo el proceso de producción de vapor.

CONCLUSIONES 

En base a los resultados obtenidos de la tabla 4, se puede determinar que la calidad en la etapa (I) del calorímetro de estrangulación, el cual nos dio un resultado promedio de 0.937, posee pequeñas cantidades de líquido saturado en el vapor proveniente de la caldera de 15 HP. Mientras que en la tabla 5, en la cual se usaron los calorímetros de estrangulación y separación para la etapa II, se obtuvo un valor promedio de la calidad de 0,896, con lo cual podemos determinar que en el vapor va a existir una pequeña cantidad de líquido saturado.



Para obtener poder obtener la calidad resultante del proceso, se procedió a multiplicar las calidades en el calorímetro de estrangulación de 0.937 y la calidad en el calorímetro de separación de 0.956, la cual nos da como un resultado promedio de 0.896, las cuales se encuentran en la tabla 5.



La calidad teórica referente a una caldera debería tener un valor del 100%, pero en la mayoría de procesos existen perdidas de energía, el cual provoca una disminución en su rendimiento.

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RECOMENDACIONES Es recomendable realizar los cálculos en base a unidades relacionadas, ya que de no ser así se puede obtener errores al momento de realizar estos cálculos. Tener en cuenta los factores que intervienen en la realización del informe como Presión atmosférica y temperatura del lugar en el que se realice la práctica. Utilizar de manera correcta y con criterio, las tablas termodinámicas, empleadas para la realización del informe.

ANEXOS FUENTES DE CONSULTA 

YUNUS, Cengel; Termodinámica, Editorial Mc Graw Hill, 2ta Edición, México 1999



Recuperado de http://recursosbiblio.url.edu.gt/publicjlg/biblio_sin_paredes/fac_ing/Quimica/cald_ef i_indus.pdf



Recuperado de file:///C:/Users/USUARIO/Dropbox/Mi%20PC%20(DESKTOPMDUMPC7)/Downloads/Calderas.pdf



Anonimo

(Julio,

2020).

Fundacion

endesa.

Recuperado

de

https://www.fundacionendesa.org/es/centrales-electricasconvencionales/a201908-central-termica-convencional

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