Laboratorio N°1 - Vaporización - Ing de Procesos PDF

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UPC UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS Carrera de Ingeniería Industrial INGENIERÍA DE PROCESOSLaboratorio N°1: ESTUDIO DEL PROCESO DE VAPORIZACIÓN DEL AGUA (Propiedades de las sustancias puras)OBJETIVO :Al finalizar esta actividad de aprendizaje, el alumno será capaz de: Analizar un sistema s...

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UPC UNIVERSIDAD PERUANA DE CIENCIAS APLICADAS Carrera de Ingeniería Industrial INGENIERÍA DE PROCESOS Laboratorio N°1: ESTUDIO DEL PROCESO DE VAPORIZACIÓN DEL AGUA (Propiedades de las sustancias puras) OBJETIVO: Al finalizar esta actividad de aprendizaje, el alumno será capaz de: • Analizar un sistema sin flujo cuya sustancia de trabajo se calienta y evapora, estableciendo las interacciones de energía entre el sistema (agua) y su entorno. • Comparar teórica y experimentalmente la relación entre la presión y la temperatura del vapor saturado. • Conocer los valores de las propiedades de un líquido o de un vapor húmedo, saturado o sobrecalentado utilizando la tabla o el software: volumen específico, energía interna, entalpía, entropía. 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: (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 líquido. 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). 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, a todos los niveles de presión comprendidos entre la presión atmosférica (1 bar aproximadamente) y 16 bar.

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El cálculo de la pendiente de una función bidimensional permite concluir si la relación entre presión y temperatura es lineal o exponencial; gráficamente se visualiza esta relación. La relación entre la temperatura de saturación (vaporización) y la presión ha sido estudiada por Clausius-Clapeyron quien propone la ecuación siguiente para representar la pendiente de la curva obtenida al representar la T vs P. Según la ley de Clausius-Clapeyron: 𝑑𝑇

(𝑑𝑃 )

𝑇𝐸0𝑅𝐼𝐶Æ

=

𝑇( 𝘨 − ƒ ) ℎ𝘨− ℎƒ

=ℎ

𝑇

𝘨

𝘨−

ℎƒ

T = temperatura absoluta [K] P = presión absoluta [kPa] m3/kg) g = volumen específico del vapor m3/kg) f = volumen específico del agua líquida hg = entalpia específica del vapor saturado kJ/kg) hf = entalpia específica del agua líquida saturada kJ/kg)

f

g

Durante este laboratorio se tomarán datos experimentales con los cuales se calculará la pendiente de la curva de equilibrio, y podrá compararse con la pendiente teórica (𝑑𝑇) EXPERIMEN TAL 𝑑𝑃 (dT/dP) tablas de propiedades del agua. 𝑑𝑇

( 𝑑𝑃)

𝐸𝑋𝑃𝐸𝑅𝐼𝑀𝐸𝑁𝑇Æ 𝐿

=

𝑇𝑛 − 𝑇 𝑛−1 𝑃 𝑛− 𝑃 𝑛−1

𝑇𝐸0𝑅𝐼𝐶Æ

calculada en base a las

𝑇𝑛 → 𝑡e𝑚𝑝e𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑e 𝑙𝑎 𝑙e𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑛ú𝑚e𝑟o 𝑛

𝑃𝑛 → 𝑝𝑟e𝑠ió𝑛 𝑑e 𝑙𝑎 𝑙e𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑛ú𝑚e𝑟o 𝑛

Los modelos matemáticos y las evidencias encontradas al estudiar el comportamiento del agua cuando se evapora (hierve), muestran que hay una relación entre la presión y la temperatura, es decir, a una cierta presión el agua hierve a cierta temperatura. Durante la vaporización, cambian las propiedades de la sustancia: energía interna (u), entalpía (h), entropía (s) y volumen específico ( ) pero se mantiene constante la temperatura si la presión se mantiene constante

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COMPONENTES DEL HERVIDOR DE MARCET:

1. Caldera cilíndrica: capacidad 3 litros 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 9. Presostato de seguridad 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

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INFORME DEL LABORATORIO: Cada grupo presentará su informe que contendrá las siguientes secciones 1) Hoja de datos. Tabla N°1 2) Presentación del ejemplo de cálculo. Presente de manera detallada y completa el cálculo de la pendiente teórica como experimental para una cierta lectura de datos, indicando la información requerida. Para el cálculo ejemplo se debe elegir el número de lectura igual al número de grupo: lectura 1 grupo1, lectura 2 grupo 2, etc 3) Presentación de la Tabla N°2. Complete los resultados para cada una de las lecturas y escriba observaciones que considere relevantes en base a los resultados de la tabla y teniendo en cuenta los logros que se han planteado para este laboratorio. 4) Gráfico que relaciona P vs T: Construya un gráfico de presión versus temperatura para los valores teóricos y experimentales. Dos líneas. 5) Desarrollo del cuestionario: Desarrolle las preguntas planteadas de manera clara y concisa. Escriba correctamente unidades cuando sea necesario. 6) Conclusiones: Realice un análisis en base a los datos, resultados obtenidos y observaciones encontradas en la experiencia. Luego redacte conclusiones de manera precisa utilizando la terminología acorde al tema estudiado.

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(SO 6.1) – 1.0 p

DATOS EXPERIMENTALES Integrantes del grupo: o o o o

Culquimboz Servan, Carlomagno Gonzalez Espino, Edinson Yovani Leiva Ramos, Evelyn Karina Mendoza LLantoy, Janhs Gohnsy

Tabla N°1-A Temperatura ambiente del agua (inicial)

18.8 °C 1 bar

Presión atmosférica Volumen del agua en el hervidor

2.056 Litros

Potencia del calentador

2 KW

Tiempo de calentamiento hasta que el agua empieza a hervir

10 min

Tabla N°1-B Lectura

1 (vapor inicial) 2

Pmanométrica (bar) 1

Texperimental (oC) 117.3

2

131.1

3

3

141.3

4

4

149.6

5

5

156.7

6

6

162.9

7

7

168.6

8

8

173.5

9

9

178.4

10

10

182.5

11

11

186.2

12

12

189.8

Fecha: 1/09/2021 Nombre del profesor Fernando Villanueva Nehmad

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(SO 6.2) – 2.0 p EJEMPLO DE CÁLCULO PARA LA OBTENCIÓN DE LA PENDIENTE EXPERIMENTAL Y PENDIENTE TEÓRICA

Presión que le ha tocado al grupo:

7 bar = 700 Kpa

Pendiente teórica: 𝑑𝑇

( )

𝑑𝑃 𝑇𝐸0𝑅𝐼𝐶Æ

=

𝑇 ( 𝘨−

ƒ)

ℎ𝘨− ℎƒ

𝑇 𝑣𝑔 ℎ𝑔 − ℎ𝑓

= =

𝑇 𝘨 ℎ𝘨 − ℎƒ

(164.95 + 273) ∙ (0.27278) (2762.8 − 697) 𝑇 𝑣𝑔 = 0.0578 ℎ𝑔 − ℎ𝑓

Pendiente experimental

(

𝑑𝑇

)

𝑑𝑃 𝐸𝑋𝑃𝐸𝑅𝐼𝑀𝐸𝑁𝑇Æ 𝐿

=

𝑇𝑛 − 𝑇𝑛 −1 𝑃𝑛− 𝑃𝑛 −1

𝑇𝑛 − 𝑇𝑛−1 (441.6 − 435.9) = (700 − 600) 𝑃𝑛 − 𝑃𝑛−1 𝑇𝑛 − 𝑇𝑛−1 = 0.057 𝑃𝑛 − 𝑃𝑛−1

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(SO 6.3) – 3.5 p COMPARACIÓN DE VALORES EXPERIMENTALES Y TEÓRICOS Tabla N°2 Presión Absoluta

Temp. experimental

Temp. teórica

Vg

hg - hf

Pendiente experimental

Pendiente teórica

kPa

(K)

(K)

(m3/kg)

(kJ/kg)

(dT/dP)EXPERIM.

(dT/dP)TEORICA

100

390.3

372.8

2

200

405.1

393.4

1.694 0.886

3

300

414.3

406.7

4

400

422.6

416.8

Lectura

1

2257.49

0.2798

2201.59

0.148

0.1583

0.606

2163.47

0.092

0.1139

0.462

2133.44

0.083

0.0903

0.071

0.0755

5

500

429.7

424.8

0.375

2108.01

6

600

435.9

431.8

0.316

2085.82

0.062

0.0653

7

700

441.6

438.1

0.273

2065.80

0.057

0.0578

0.049

0.0521

8

800

446.5

443.4

0.240

2047.43

9

900

451.4

448.4

0.215

2030.44

0.049

0.0475

10

1000

455.5

452.9

0.194

2014.59

0.041

0.0437

11

1100

459.2

457.1

0.177

1999.67

0.037

0.0406

12

1200

462.8

461.0

0.163

1985.47

0.036

0.0379

Observaciones/Apreciaciones

•

En el siguiente cuadro de comparación de valores experimentales y teóricos se aprecia que a medida que la presión absoluta aumenta, las pendientes y el volumen disminuyen.

•

A medida que la temperatura del agua aumenta, el volumen específico del agua disminuye

•

Se sabe que mientras más cerca de 1 se sitúe el valor de las pendientes, mayor será el ajuste del modelo a la variable. Es decir, los valores obtenidos son favorables.

7

(SO 6.4) – 3.5 p Gráfica Presión (P) – Temperatura (T) (Experimental y teórica )

GRÁFICO DE TEMPERATURA VS PRESIÓN TEM. TEO (°C)

TEM. EXP (°C)

200 190 178.4

180

173.5

170 160

164.95

170.41

158.83

149.6 150

184.06

175.35

162.9 156.7

189.8 187.96

179.88

168.6

TEMPERATURA (°C)

182.5

186.2

151.83

141.3 143.61

140

132.1 133.52

130 117.3

120

120.21

110 99.61

100 90 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

PRESIÓN (KPA)

Observaciones/Apreciaciones

Se puede aprecias que la temperatura y la presión tienen una relación directa, ya que al incrementarse la temperatura se incrementa la presión. Además , la tendencia de ambas curvas (teórico -experimental), es creciente.

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(SO 6.5) – 6.0p

Desarrollo del cuestionario

a) ¿Cuánta energía se suministró al agua desde el inicio hasta el momento que empieza a hervir? 𝑄𝑢 = 𝑚 ∙ 𝐶𝑣 ∙ (𝑇2 − 𝑇 1 ) 𝐾𝐽 𝑄𝑢 = 2.056 𝐾𝑔 ∙ 4.18 ∙ (100 − 18.8)°𝐶 𝐾𝑔 °𝐶 𝑄𝑢 = 697.839 𝐾𝐽 - Se suministro 697.8 KJ aproximadamente desde el inicio hasta que empieza a hervir. b) ¿Con qué velocidad ganó energía el agua en este proceso inicial? Potencia del calentador: 1000 𝐽 = 2000 𝐽 1 𝐾𝑊 1 𝐸𝐶 = 𝑚 ∙ 𝑉 2 2 1 2000 𝐽 = ∙ 2.056 𝐾𝑔 ∙ 𝑉 2 2 𝑚 𝑉 = 44.11 𝑠 c) Teniendo en cuenta la potencia de la resistencia eléctrica, determine la eficiencia en la transmisión de energía. 2 𝐾𝑊 ∙

𝑄𝑒 = 𝑃 ∙ 𝑇 𝑄𝑒 = 2 𝐾𝑊 ∙ 10 min ∙ 60

𝑠 = 1200 𝐾𝐽 1 𝑚𝑖𝑛

Calculamos la eficiencia: 𝑄𝑢 ∙ 100 𝑄𝑒 697.839 𝐾𝐽 𝐸= ∙ 100 = 58.2% 1200 𝐾𝐽 𝐸=

-

La eficiencia de transmisión de energía es de 58.2%.

d) ¿Qué propiedades evolucionan y de qué manera desde el momento que se cierra la válvula? 1. La energía interna del agua aumenta a medida que aumenta la temperatura. 2. El volumen especifico disminuye a medida que aumenta la temperatura. 3. La densidad disminuye a medida que la temperatura aumenta. e) Complete el siguiente cuadro utilizando la tabla de propiedades del agua (software) h (kJ /kg (m3/kg) P = 101 kPa T= 60°C T = 300°C vapor saturado P = 4 MPa T = 300°C P = 500 kPa x = 75%

0.001017 0.001404 0.05884 0.2814

251.1 1344 2961 2222

s (kJ/kg) 0.831 3.253 6.361 5.581

9

-

Tabla según señala el software:

(SO 6.6) – 4 p CONCLUSIONES

1. Verificamos que el proceso de evaporación del agua su relación de directamente proporcional entre Temperatura vs Presión. 2. La presión aumenta, la diferencia del porcentaje entre datos teóricos y experimentales disminuye, esto es causado por la diferencia entre temperatura real y experimental se reduce. 3. La relación de la evaporación del agua es inversamente proporcional entre el pendiente teóricoexperimental vs la presión. 4. El proceso de evaporación del agua la relación es inversamente proporcional entre la temperatura vs volumen especifico 5. Observamos que el grafico de temperatura experimental y teórico: se comprueba que el experimental sus datos son más seguros, en comparación con los datos teóricos se nota una ligera diferencia sobre los datos reales. 6. Es de suma importancia abrir la válvula al inicio del proceso, además, de eliminar el aire del hervidor, sino esto alterara los resultados del experimento.

10...