Guía del L1 - Guía Evaporación de agua- Hervidor Marcet Laboratorio 1 PDF

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NADA...

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Carrera: INGENIERÍA INDUSTRIAL Asignatura: TERMODINÁMICA APLICADA Laboratorio N°1: ESTUDIO DEL PROCESO DE EVAPORACIÓN DEL AGUA OBJETIVOS: Al finalizar la parte experimental y la entrega del informe, el alumno será capaz de:  Analizar termodinámicamente un sistema sin flujo cuya sustancia de trabajo (agua) se calienta y evapora, estableciendo las interacciones de energía entre el sistema y su entorno  Comparar, teórica y experimentalmente, la relación entre la presión y la temperatura en un proceso de evaporación.  Describir los componentes de un hervidor, comparando su funcionamiento con el de equipos industriales, como los calderos. FUNDAMENTO TEÓRICO: Consideremos una sustancia que cambia de estado de líquido a gas (evaporación) y viceversa (condensación). Es sabido que si se calienta un líquido dentro de un ambiente en el cual la presión es estable, el líquido se calienta y, a cierto valor, la temperatura cesa de aumentar y el líquido comienza a transformarse en vapor. Entonces, al continuar el suministro de calor, la temperatura no aumenta mientras haya líquido para evaporar. Cualquier vapor, en presencia del líquido del cual se originó y en condiciones de equilibrio térmico con el mismo, tiene una temperatura bien definida en correspondencia con cada valor de presión. Por tanto, se puede escribir la siguiente ecuación: f(P,T) = 0, para indicar la relación entre los valores de presión y temperatura del vapor. Sin embargo, hay un punto a tomar en consideración. Se ha dicho “cualquier vapor en presencia del líquido del cual se originó”; si el espacio no llenado por el líquido es ocupado no solamente por el vapor sino también por otro gas, como por ejemplo el aire, las cosas se complican. Por tanto, antes de comenzar la medición de los valores de presión y temperatura, es necesario eliminar el aire inicialmente presente en el hervidor. Si el agua contenida en el recipiente (hervidor) es calentada, se ocasiona un aumento de la actividad molecular y un aumento del número de moléculas liberadas (evaporadas) a través de la superficie del líquido; esto ocurrirá hasta alcanzar una condición de equilibrio. La condición de equilibrio dependerá de la presión ejercida sobre la superficie que divide el líquido del vapor. Cuanto más baja sea la presión, tanto más fácil será la liberación de las moléculas desde la superficie del líquid. La temperatura a la cual se obtiene la condición de equilibrio en correspondencia con una determinada presión es denominada punto de saturación. En esta experiencia, el calor ingresa al sistema (el agua del hervidor) primero a presión constante, hasta que se forma vapor y luego en condiciones de volumen constante, no de presión estable. La gradual evaporación del líquido provocará un aumento de la presión – y por tanto de la temperatura de saturación – dentro del espacio confinado del recipiente (hervidor).

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El estudio del proceso termodinámico de vaporización está orientado a conocer la relación que existe entre las propiedades como la presión, la temperatura, la entalpía, etc. El hervidor de Marcet es utilizado para estudiar la relación entre la presión y la temperatura del vapor saturado en condiciones de equilibrio con el agua líquida, a todos los niveles de presión comprendidos entre la presión atmosférica (1 bar aproximadamente) y 16 bar. Modelo teórico: La relación entre la temperatura de saturación (vaporización) y la presión ha sido estudiada por ClausiusClapeyron quien propone la ecuación siguiente para representar la pendiente de la curva obtenida al representar la temperatura versus la presión absoluta (T vs P).

( dTdP )

TEORICA

=

T (❑g−❑f ) T ❑g = h g−h f hg−hf

T = temperatura absoluta [K] P = presión absoluta [bar] g = volumen específico del vapor m3/kg) f = volumen específico del agua líquida m3/kg)  hg = entalpia específica del vapor saturado  kJ/kg) hf = entalpia específica del agua líquida saturada kJ/kg) f  g Valores experimentales Durante este laboratorio se tomarán datos experimentales con los cuales se calculará la pendiente de la curva de equilibrio, (dT/dP)EXPERIMENTAL y podrá compararse con la pendiente teórica

( dTdP )

calculada en

TEORICA

base a las tablas de propiedades del agua.

( dTdP )

EXPERIMENTAL

=

T n−T n−1 Pn− Pn−1

Cabe notar que la presión que se registra en la pantalla es la presión manométrica o relativa; por consiguiente, debe sumarse la presión atmosférica (igual a 1 bar) para obtener la presión absoluta. COMPONENTES DEL HERVIDOR DE MARCET:

1.

9. Presosta

2

2. Válvula de descarga 3. Válvula de entrada 4. Sensor de presión 5. Termorresistencia Pt100 6. Válvula de seguridad 7. Válvula para controlar el volumen del agua 8. Resistencia eléctrica blindada: 2 kW

11. Indicador digital de la temperatura 12. Indicador digital de la presión 13. Testigo luminoso del presostato de seguridad 14. Interruptor principal 15. Testigo luminoso del calentador 16. Interruptor del calentador 17. Material aislante que rodea la caldera: lana de roca

DESCRIPCIÓN DEL EXPERIMENTO: 1. Verificar que las válvulas (2), (3) y (7) estén cerradas. 2. Abrir las válvulas (3) y (7). 3. Abrir la alimentación del agua. 4. Llenar la caldera Marcet hasta que el agua salga de la válvula del rebosadero (7). 5. Cerrar la válvula de entrada (3) y esperar que el agua cese de salir de la válvula del rebosadero (7) (colocar una cubeta debajo de la válvula para recoger el agua que sale), luego cerrar la válvula (7). 6. Desconectar el tubo de la válvula de entrada (3), tras haber cerrado la válvula de la alimentación hídrica, despegar el tubo de la red y vaciarlo. Luego desconectarlo de la válvula de entrada. 7. Poner el interruptor principal en ON (14). 8. Encender la computadora y lanzar el programa de adquisición de datos SAD/T135D. 9. Encender la resistencia eléctrica con el relativo interruptor y, cuando la temperatura alcanza el punto de ebullición (aproximadamente 99,6°C), abrir ligeramente la válvula del rebosadero (7) y esperar que el vapor salga libremente. De esta forma tenemos la seguridad de que del interior del calentador salga todo el aire que podría afectar los resultados experimentales. 10. Cerrar la válvula del rebosadero (7). 11. Proceder con la adquisición de los valores de temperatura y presión hasta alcanzar la presión máxima relativa de 17 bar. 12. Guardar el archivo de los datos adquiridos en la computadora. 13. Apagar la resistencia eléctrica con el relativo interruptor y esperar que los valores de presión y temperatura disminuyan hasta volver al valor de comienzo. 14. Apagar el interruptor principal (14). 15. Abrir la válvula de descarga (2) y esperar que la caldera se haya vaciado. ¡ADVERTENCIA! 1) No abrir nunca las válvulas (2), (3) y (7) durante la prueba y, si por una razón cualquiera, se abriese el presostato de seguridad, apagar inmediatamente la resistencia eléctrica e interrumpir la alimentación de corriente. 2) NO TOCAR LAS PARTES METÁLICAS DEL EQUIPO

1. DATOS EXPERIMENTALES Integrantes del grupo: ………………………………………………………………………….

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………………………………………………………………………….. ………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………

Tabla N°1-A Temperatura ambiente del agua Presión atmosférica Volumen del agua en el hervidor Potencia del calentador (resistencia)

Tabla N°1-B N°

Pman (bar)

T(oC)

Pabsoluta (bar)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Fecha: ___________________________________ 2. 1) 1)

CÁLCULO DE LAS PENDIENTES TEÓRICAS CON EXPERIMENTALES Cada grupo de trabajo deberá presentar el desarrollo de una experiencia asignada por el profesor Pendiente teórica: P = _______________kPa De la tabla de propiedades del agua escriba los valores:

T = P =

K kPa

g =

m3/kg

hg =

kJ/kg

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2) Completar la tabla N°2 con la participación de todos los grupos Tabla N°2 Presión (bar)

Temperatura (K)

N° Man.

Abs.

Teórica

Experimental

Pendiente teórica

Pendiente experimental

(dT/dP)TEORICA

(dT/dP)EXPERIM

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 3. COMPARACIÓN DE RESULTADOS TEÓRICOS Y EXPERIMENTALES 1) Analice las diferencias entre las pendientes teóricas y experimentales para cada presión y exprese sus comentarios en relación a si hay diferencia (grande/pequeña), si va aumentando o disminuyendo con la presión y todo aquello que considere importante para obtener una conclusión.

Promedio de desviaciones entre el valor teórico y experimental

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2) Represente gráficamente la relación T vs P tanto teórica como experimental. Exprese unidades.

6

Realice observaciones sobre las tendencias de ambas curva (teórica y experimental) y escriba una conclusión.

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4. CUESTIONARIO 1) Describa la evolución de las propiedades del agua durante el tiempo que estuvo prendida la resistencia eléctrica.

2) ¿A partir de qué momento la masa de agua permanece constante dentro del tanque de Marcet?

3) ¿Cuánta energía, aproximadamente, recibió el agua hasta el momento que apareció el vapor?. Si necesita algún dato, averígüelo.

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