DETERMINACIÓN DE ESTADO TERMODINAMICO

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