UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica MDSS/lbb/vcp. SANTIAGO, ABRIL 2005 DETERMINACIÓN DE ESTADO TERMODINAMICO APLICABLE A SUSTANCIA PURA DOCUMENTACIÓN COMPLEMENTARIA EXPERIENCIA E-18 EN GENERAL PARA SUSTANCIAS PURAS EN FASE UNICA (SÓLIDA, LIQUIDA O GASEOSA) LA DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES COMO PRESION, TEMPERATURA Y OTRAS DEL MISMO TIPO PUEDEN SER SUFICIENTES PARA DEFINIR ADECUADAMENTE LA CONDICION DE LA SUSTANCIA Y ASI PREDECIR OTRAS PROPIEDADES. EN LAS LLAMADAS CONDICIONES DE SATURACIÓN ( CAMBIO DE FASE COMO ES LA VAPORIZACION ) PARA UN PAR ORDENADO PRESION TEMPERATURA PUEDEN DARSE MULTIPLES COMBINACIONES DE PROPORCIONALIDAD Y CON ELLO DE VOLUMEN, ENERGIA Y OTROS QUE PUEDEN VARIAR ENTRE UN VALOR MINIMO, GENERALMENTE CUANDO ES EXCLUSIVAMENTE LIQUIDO (LIQUIDO SATURADO) Y UN MAXIMO CUANDO ES SOLO VAPOR (VAPOR SATURADO SECO). VEASE GRAFICA ADJUNTA Y EN DONDE EL SUBÍNDICE “ f ” HACE REFERENCIA A LIQUIDOS SATURADOS Y EL “ g ” AL VAPOR SATURADO SECO, TAMBIEN PODRA OBSERVARSE QUE A MEDIDA QUE AUMENTA LA PRESION AMBOS VALORES EXTREMOS SE ACERCAN. TEMPERATURA PRESION CTE vf vg VOLUMEN ESPECIFICO UN PARÁMETRO COMO EL TITULO O CALIDAD DE UN VAPOR, COMÚNMENTE EXPRESADO COMO X; Y VALIDO SOLO EN CONDICIONES DE SATURACIÓN, PERMITE DISCERNIR SOBRE LA PROPORCIONALIDAD Y EVENTUAL PREDOMINIO DE UNA FASE POR SOBRE LA OTRA. X = ( MASA EN FASE VAPOR ) / ( MASA TOTAL BIFASICA ) EL VALOR VARIA ENTRE CERO PARA UN LIQUIDO SATURADO Y UNO PARA UN VAPOR SATURADO SECO, TAMBIEN PODRÍA HABERSE EXPRESADO EN TERMINOS PORCENTUALES. LA RELACION ENTRE TITULO - VOLUMEN Y TITULO – ENERGIA TERMICA ESTA EN TERMINOS GENERICOS DADO POR : v = vf + X ( vg – vf ) e = ef + X ( eg – ef ) LA DETERMINACIÓN DE UN TITULO, OBJETIVO TERMINAL DE ESTE ENSAYO, REQUIERE DEL USO DE INSTRUMENTOS LLAMADOS CALORIMETROS QUE ENTREGAN CIERTA INFORMACIÓN BASICA QUE COMBINADA CON EL USO ADECUADO DE TABLAS TERMODINAMICAS PERMITEN LLEGAR AL TITULO PROPIAMENTE TAL. CALORIMETRO DE MEZCLA: ES UN DISPOSITIVO EXTERNAMENTE ADIABATICO, QUE CONTIENE ORIGINALMENTE AGUA LIQUIDA SUBENFRIADA A PRESION ATMOSFERICA; RECIBIRA VAPOR DEL CUAL SE REQUIRE CONOCER EL TITULO EL QUE SE MEZCLARA Y CONDENSARA JUNTO AL AGUA FRIA DANDO LUGAR A UNA MAYOR CANTIDAD DE AGUA LIQUIDA, AHORA TIBIA. VAPOR CALORIMETRO DE MEZCLA LIQUIDO EL CALORIMETRO DE MEZCLA ES DE TIPO VOLUMEN DE CONTROL Y EN UNA EVALUACION DE PRIMERA LEY SE TIENE : INTERCAMBIO + ENERGIA ENERGETICO ENTRANTE = ENERGIA + (ENERGIA – ENERGIA) SALIENTE FINAL INICIAL LAS ENERGIAS SE ASOCIAN A LAS MASAS Y SU VALOR ESPECIFICO TIENE RELACION A UN EVENTUAL MOVIMIENTO O A UNA RESIDENCIA EN UN LUGAR. ENERGIA DE MASA EN MOVIMIENTO = h; ENTALPIA ESPECIFICA (KJOULE / KGM). ENERGIA DE MASA RESIDENTE = u; ENERGIA INTERNA ESPECIFICA (KJOULE / KGM). LUEGO : Qvc + Wvc + me he = ms hs + ( m2 u2 – m1 u1) DONDE Qvc : CALOR INTERCAMBIADO A TRAVES DE LOS LIMITES; CERO Wvc : TRABAJO, EL VAPOR PRESURIZADO NO ENCUENTRA OPOSICION PARA INGRESAR AL CALORIMETRO; CERO. e : CONDICION DE ENTRADA s : CONDICION DE SALIDA 2 : CONDICION FINAL 1 : CONDICION INICIAL NO EXISTE PERDIDA DE MASA, LUEGO ms = CERO me he = m2 u2 – m1 u1 LAS MASAS 1 Y 2 SON MEDIBLES, LUEGO POR DIFERENCIA SE OBTIENE LA MASA QUE ENTRA; LOS VALORES DE ENERGIA INTERNA SE OBTIENEN DE TABLA CON LA TEMPERATURA Y APROXIMANDOSE A UN VALOR DE LIQUIDO SATURADO. LA ENTALPIA he PERMITE OBTENER EL TITULO DEL VAPOR QUE ENTRA A PARTIR DE : Xe = (he – hf ) / (hg – hf) | PRESION ABSOLUTA DE ENTRADA DEBE TENER PRESENTE QUE LOS VALORES DE PRESION SON DEL TIPO ABSOLUTO Y ENTRE ENERGIA INTERNA Y ENTALPIA EXISTE LA SIGUIENTE RELACION : u = h – pv PARA LOS EFECTOS DE LA EXPERIENCIA USTED DEBE MEDIR: - MASAS DE AGUA LIQUIDA ORIGINAL Y FINAL COMO TAMBIEN SU TEMPERATURA. - PRESIONES ATMOSFERICA Y LA MANOMETRICA DEL VAPOR CUYO TITULO SE DESEA CONOCER. EJEMPLO DE CALCULO: SEA: m1 = 10 KGM m2 = 11 KGM T1 = 290º K T2 = 345º K PATM = 1 BAR P. MAN. VAPOR = 7 BAR ( P. ABSOL. = 8 BAR ) DE TABLAS u1 ~ 69,698 (KJOULE / KGM) u2 ~ 301,465 (KJOULE / KGM) me = 1 KGM he = 2619,139 (KJOULE / KGM) Xe = 0,926 ADIMENSIONAL EXTRACTOS TABLA VAPOR SATURADO DE AGUA (ORDENADOS POR TEMPERATURA) TEMP PRESION ºK BAR (A) VOLUMEN ESPEC. ENTALPIA ESPEC. (M3/KGM) (KJOULE / KGM) vf vg hf hg 290 0,01919 0.001001 69,67 69,7 2531,9 320 0,1054 0,001011 13,96 196,2 2586,0 370 0,9047 0,001041 1,860 406,3 2670,6 440 7,3320 0,001110 0,2612 705,0 2765,0 LA CALDERA EN LO GENERAL ES UN INTERCAMBIADOR DE CALOR CERRADO DEL TIPO TUBO CORAZA DONDE LA INTENCIÓN ES PRODUCIR UN VAPOR SATURADO SECO DE AGUA BLANDA Y PRESURIZADA, A PARTIR DE UNA CONDICION LIQUIDA. DADOR DE CALOR SERA LOS GASES DE UNA COMBUSTIÓN. LA CALDERA SE IDENTIFICA ENTRE OTROS POR SU PRODUCCIÓN EN MASA DE VAPOR Y POR SU PRESIÓN DE TRABAJO. EL VAPOR PRODUCIDO EN PRIMERA INSTANCIA SE ALMACENA EN UN MANIFOLD Y DE AHÍ SE ENVIÁ POR LÍNEAS DE DISTRIBUCIÓN A LOS PUNTOS DE CONSUMO. EL VAPOR DEL ENSAYO SE OBTENDRÁ DESDE EL MANIFOLD, LUEGO ES ESPERABLE QUE POR PERDIDA CALORICA DESDE ESE EQUIPO EL TITULO SEA LEVEMENTE INFERIOR AL 100%. RECUERDE QUE LOS RESULTADOS OBTENIDOS EN LA MEDICIÓN SERÁN REPRESENTATIVOS DE LA REALIDAD EN LA MEDIDA QUE SE TOMEN LAS PRECAUCIONES DEL CASO PARA ASEGURAR LA CALIDAD DE LA MUESTRA, ENTRE OTROS ESTA EL CAPTURAR EL VAPOR DESDE LA ZONA SUPERIOR DEL DUCTO QUE LO CONTIENE Y ESPERAR LA ESTABILIDAD TÉRMICA DEL DUCTO TOMAMUESTRA. SI LA INTENCIÓN ES DETERMINAR EL TITULO DE UN VAPOR EN OTRO EQUIPO O INSTALACIÓN EL PROCEDIMIENTO SERÁ ANÁLOGO. LINEAS DE CONSUMO MANIFOLD CHIMENEA QUEMADOR BOMBA ESQUEMA CALDERA IGNITUBULAR DOS PASOS EN LOS GASES