Laboratorio en Planta Piloto 2015

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UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL 
FACULTAD REGIONAL RESISTENCIA 
CATEDRA DE TERMODINAMICA – AÑO 2015 
TERCER AÑO 
 
INGENIERIA QUIMICA 
 
 
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DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES TERMODINAMICAS DEL 
VAPOR DE AGUA EN PLANTA PILOTO: 
OBJETIVO 
 
Determinará las propiedades termodinámicas de una sustancia a partir de operaciones de 
calentamiento y estrangulamiento. 
MATERIAL Y/O EQUIPO 
 
● Planta de vapor marca 
● Termómetro 
● Tablas de las propiedades termodinámicas del agua saturada 
ASPECTOS TEÓRICOS: 
Diagramas de fase: Es un diagrama que muestra el comportamiento de una sustancia 
simple compresible. Por ejemplo, la siguiente figura muestra el calentamiento de una 
sustancia a presión constante, donde la sustancia original esta en su fase sólida, es decir, en 
su estado 1. 
Cuando al sólido se le suministra energía se calienta y consecuentemente aumenta su 
temperatura y volumen específico(figura 5.1), esto ocurrirá mientras se siga suministrando 
energía, hasta que la sustancia alcance la temperatura de fusión (Tf) correspondiente a la 
presión a la que se realiza el experimento, hasta el punto donde la temperatura ya no 
aumenta, es decir, permanece constante, caso contrario a lo que le sucede al volumen 
específico, es decir, continua aumentando, esto se debe a que cuando la sustancia alcanza la 
temperatura de fusión (Tf) empieza a cambiar de fase, de sólido a líquido (fusión), y 
mientras el cambio de fase no concluya la temperatura permanece constante (T2=T3). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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El punto 2, donde empieza el sólido a cambiar de fase se conoce como “sólido saturado”, y 
el punto 3 como “líquido saturado”. Sí se continua suministrando energía a la sustancia en 
el punto 3, donde ya toda la sustancia es líquido, volverá a incrementarse su temperatura y 
su volumen específico hasta alcanzar la temperatura de ebullición o de vaporización (Tv). 
Al alcanzar dicha temperatura, la sustancia 
vuelve a cambiar de fase, de líquido a gas o 
vapor, y durante todo el cambio de fase la 
temperatura del vapor permanece constante, 
es decir, T4=T5=Tv. 
Al líquido en el punto 4 también se le llama 
“líquido saturado”, la diferencia entre los 
puntos 3 y 4, es que se encuentra uno se 
encuentra saturado con respecto al sólido y 
el otro con respecto al vapor, además T4>T3, 
eso es porque siempre Tv>Tf. 
 
Cuando se conjuntan los diagramas T-v, T-p y p-v en uno sólo (figura 5.3), se obtiene un 
diagrama tridimensional conocido como “superficie p-v-T” de la sustancia en cuestión. Los 
valores de p,v,T,u, h y otras propiedades se determinan mediante el uso de ecuaciones de 
estado, y la experimentación, estos valores se han tabulado y graficado en las “tablas y 
gráficas termodinámicas”. Estas facilitan el análisis y resolución de muchos problemas de 
termodinámica. Son de particular interés las tablas de vapor saturado y sobrecalentado, así 
como los diagramas que comprenden los domos de vapor. Esto se debe a que el vapor de 
algunas sustancias, como el agua, el freón y el mercurio, son muy utilizados como 
sustancias de trabajo en muchos dispositivos y máquinas térmicas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Vapor.- Es el gas que resulta de la vaporización de un líquido o de la sublicuación 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. 
 
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El vapor puede adquirir tres formas: 
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 necesaria 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 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 o Titulo del vapor x: 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: 
 
x = mvapor / mmezcla 
 
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. 
 DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: 
 
1. Revise que haya suministro de agua. 
2. Asegúrese que el nivel de agua en la caldera sea el adecuado, verificando en el indicador 
de nivel que sea su máximo permisible. 
3. Compruebe que el equipo se encuentre conectado a la toma de corriente. 
4. Cargar la paila con un volumen conocido de agua. Medir la temperatura. 
5. Medir el nivel de agua del tanque depósito. 
6. Abra muy poco el sistema de agua de enfriamiento. 
7. Encendido de la Caldera. 
8. Espere a que la temperatura y la presión empiecen a incrementarse, cuando esto suceda, 
abra la válvula de control de flujo de vapor para purgar el aire que se encuentra dentro de la 
caldera. 
9. Cierre la válvula de control del flujo de vapor y espere a que la presión en el manómetro 
se incremente hasta 2 bar. Anote las lecturas de la presión y la temperatura en la caldera. 
10. Abrir la válvula de paso (estrangulación) que conecta la caldera con la paila. 
11. Calentar el agua contenida en la paila hasta la temperatura indicada durante la 
 
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experiencia. 
12. Medir el nivel de condensado en el tanque de depósito para un tiempo dado. 
13. Apague las resistencias. 
14. Abra las válvulas de control de la caldera para que el vapor escape. 
15. Una vez que ya no salga vapor, cierre la válvula de enfriamiento. 
16. Desconecte el equipo del suministro eléctrico. 
ACTIVIDADES 
 
1) Determinar la presión absoluta en la caldera. 
2) Calcular las propiedades termodinámicas del vapor de agua en la caldera. 
3) Determinar las propiedades termodinámicas del vapor de agua en la caldera por medio 
del diagrama T-s. 
4) Determinar la cantidad de Calor suministrada a la paila para calentar el agua. 
5) Determinar la cantidad de vapor de agua condensado y compararla con la teórica. 
6) Determinar el rendimiento exegético de la instalación y el porcentaje de pérdidas de 
calor. 
 
ACTIVIDAD I: PRESIÓN ABSOLUTA DEL SISTEMA 
 
Con el dato obtenido de la presión atmosférica del laboratorio, calcula la presión absoluta 
en bar, en la caldera. Anotar su valor en la tabla 5.1 
Pabs-caldera = Patm + Pmanometro 
Donde: 
P abs-caldera: presión absoluta en la caldera 
P atm: presión atmosférica 
P manómetro:presión de la caldera 
 
ACTIVIDAD II: OBTENCIÓN DE LAS PROPIEDADES TERMODINÁMICAS EN 
LA CALDERA. 
 
Para determinar las propiedades termodinamicas se obtienen de tablas de vapor saturado 
con la P1. Anotar los datos obtenidos en la tabla 5.2 Con los datos de la tabla 5.2 Calcular: 
h, v, s, u; anotar los resultados en la tabla 5.3. 
 
h1=hL1+x1hG-L 
v1=vL1+x1vG-L 
s1=sL1+x1sG-L 
u1=h1-P1v1 
 
ACTIVIDAD III: METODO GRÁFICO. OBTENCIÓN DE LAS PROPIEDADES 
 
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TERMODINÁMICAS DEL VAPOR DE AGUA. 
 
Se les pide determinar las propiedades termodinámicas a través del diagrama T-s (llenar la 
tabla 5.4). Al final coteje sus resultados con los obtenidos a través de tablas de vapor. 
 
ACTIVIDAD IV: CANTIDAD DE CALOR SUMINITRADA. 
 
Se determina la cantidad de calor suministrada a la paila para calentar el agua con la 
diferencia de temperatura del agua contenida en la paila, antes y después de la experiencia, 
ya que se conoce el volumen de agua que se está calentando. Para calentar el agua, se 
emplea el vapor generado en la caldera y se mide la presión antes del ingreso a la misma 
(Tabla 5.5 y Tabla 5.6). 
 
ACTIVIDAD V: CANTIDAD DE VAPOR DE AGUA CONDENSADA 
 
Una vez calentada el agua contenida en la paila, se tiene un cierto volumen de vapor de 
agua condensado. Este se compara con el volumen de condensado teórico. 
 
ACTIVIDAD VI: DETERMINACIÓN DEL RENDIMIENTO EXERGETICO Y LAS 
PÉRDIDAS DE CALOR 
 
Con los datos obtenidos de la experiencia expresar y calcular el rendimiento exergetico de 
la operación y determinar las pérdidas comparando el calor entregado a la caldera con el 
que se empleo para el calentamiento del agua. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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TABLAS DE RESULTADOS: 
 
TABLA 5.1 
Concepto Símbolo Unidad Presión absoluta 
Presión de Caldera Pabs-caldera 
 
TABLA 5.2 
Concepto x1 vL1 vGL1 hL1 hGL1 sL1 sGL1 
Unidades % m
3
/kg m
3
/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg°k kJ/kg°k 
Caldera 
 
TABLA 5.3 
Concepto s1 v1 u1 h1 
Unidades kJ/kg°k m
3
/kg kJ/kg kJ/kg 
Caldera 
 
TABLA 5.4 
Concepto s1 v1 u1 h1 
Unidades kJ/kg°k m
3
/kg kJ/kg kJ/kg 
Caldera 
 
TABLA 5.5 
Concepto P2 h2 v2 s2 u2 
Unidades bar kJ/kg m
3
/kg kJ/kg°k kJ/kg 
Paila 
 
 
TABLA 5.6 
Concepto Ta1 Ta2 ma Q 
Unidades ºK ºK kg kJ 
Paila 
 
TABLA 5.7 
Concepto Q h2 mc mcReal Er% 
Unidades kJ kJ/kg kg kg % 
Paila