PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DEL AGUA MANEJO DE TABLAS DE VAPOR SOBRECALENTADO

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Emilio Marín San Martín
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1 PROPIEDADES TERMODINÁMICAS DEL AGUA MANEJO DE TABLAS DE VAPOR SOBRECALENTADO ELABORÓ PROFESOR EFRÉN GIRALDO TORO. MSc. REVISÓ: PROFESOR CARLOS A. ACEVEDO PhD.

2 CONTENIDO Conceptos básicos Diagrama Tv y curva Tv Tablas de vapor sobrecalentado Ejercicios de aplicación GIRALDO 2

3 CONCEPTOS BÁSICOS Un vapor sobrecalentado es una substancia calentada por encima de su temperatura de saturación T g para una presión dada. GIRALDO 3

4 El vapor de agua sobrecalentado tiene diversos nombres: Vapor sobrecargado Vapor anhidro Gas de vapor Vapor seco Vapor de agua Vapor Es un gas 100 %, sin agua líquida GIRALDO 4

5 Propiedades y usos del vapor sobrecalentado Como el vapor sobrecalentado tiene aproximadamente el mismo coeficiente de transferencia de calor que el aire es un mal conductor y aislante del calor. Por lo tanto directamente casi no se emplea como medio de transferir calor. GIRALDO 5

transferencia de calor que el aire es un mal conductor y aislante del

6 Su aplicación más importante es en las centrales térmicas y geotérmicas, donde debido a la alta energía cinética de sus partículas, produce el movimiento de los álabes de las turbinas para la generación de energía. Allí es de vital importancia su sequedad, porque de otra manera las gotas de agua presente destruirían los álabes. USOS DEL VAPOR SOBRECALENTADO 6

7 También se emplea en otros procesos industriales como: Secado industrial Decapado Limpieza Nanotecnología Fue muy empleado en las máquinas de vapor industrial y en las locomotoras y barcos GIRALDO 7

8 De hecho la importancia del vapor en la humanidad ha sido tal, que fue el que cambió completamente la historia humana en la revolución industrial. GIRALDO 8

9 El agua líquida se convierte a líquido saturado en una caldera a 100 C y 1 atm de presión. Luego ese vapor pasa afuera de la caldera a una sección de recalentamiento compuesta por una bobina de calefacción u otro dispositivo que eleva la temperatura a mucho más de 100 C. GIRALDO 9

10 En la Figura 1 se cumple: Si el valor de una propiedad cualquiera es mayor que el valor de la propiedad en el estado saturado o de mezcla, necesariamente se está en un estado de vapor sobrecalentado. GIRALDO 10

11 T T sobrec T g : T sat f Mezcla v promedio u promedio h promedio g T sobrec Tsobrec > Tsat v sobrec > v g v g v sobrec Figura 1. En el diagrama T v y en la curva T v la temperatura de sobrecalentamiento y las demás propiedades del vapor sobrecalentado son mayores que las propiedades promedio y las propiedades en el punto g. 11

En el diagrama T v y en la curva T v la temperatura de sobrecalentamiento y las demás

12 De lo anterior se deduce que siempre un vapor sobrecalentado tendrá un T sobrecalentamiento > T sat y lo mismo para todas las otras propiedades. Así, si el valor de v > v g, u > u g, h > h g, se cumple que v, u, h, son propiedades de vapor sobrecalentado. Este dato es de gran ayuda para determinar si una T y una P dadas son de sobrecalentamiento o no. GIRALDO 12

Así, si el valor de v > v g, u > u g, h > h g, se cumple que v, u, h, son propiedades de

13 Tablas de vapor sobrecalentado. Nota: inicialmente se comparan las propiedades dadas con las saturadas para poder determinar si el estado es sobrecalentado o no. Otra pista para ubicar las tablas correspondientes: en la región de sobrecalentamiento generalmente se manejan presiones del orden de MPa. GIRALDO 13

poder determinar si el estado es sobrecalentado o no.

14 No olvidar que: La zona de vapor sobrecalentado, es de una sola fase, la T no depende de la presión como ocurre en la zona de mezcla. Por tanto el estado del sistema lo determinan la T y la Presión de recalentamiento. Estas no son T sat ni P sat, Por qué? GIRALDO 14

15 En las tablas A-6 de Cengel se tabulan varias Presiones en MPa con sus Temperaturas (rectángulos horizontales morado, rojo y morado) referenciadas a las propiedades de saturación (rectángulo morado, rojo y morado más pequeños situados debajo), Tabla 1. GIRALDO 15

morado) referenciadas a las propiedades de saturación (rectángulo

16 Tabla 1. Tablas de vapor de agua sobrecalentado. Se muestran 3 P y T relacionadas a 3 temperaturas y propiedades de saturación menores, (Cengel, 2007). 16

17 Estas propiedades de saturación sirven de base de comparación para determinar si el valor dado de la propiedad corresponde al estado saturado o no, según v > v g, u > u g, h > h g. GIRALDO 17

de la propiedad corresponde al estado saturado

18 Por ejemplo, se observa en Tabla A-6 1b y en el rectángulo morado derecho que para una P: 0,10 MPa y una T de 99,61 C aparece justamente debajo en el rectángulo morado las propiedades específicas de saturación que le corresponden: v: 1,6941 u:2506,6 h: 2675,0 GIRALDO 18

justamente debajo en el rectángulo morado las propiedades

19 Tabla 1b. Tablas de vapor de agua sobrecalentado. Propiedades de saturación para una presión P: 0,05 MPa y una Temperatura de 81,32 C (Cengel, 2007). GIRALDO 19

20 La T de 99,61 C es una temperatura de referencia. Si la P de 0,1Mpa fuera de saturación le correspondería una T de saturación de 99,61 C o sea 100 C como se puede apreciar claramente en las tablas A-4 para 100 C y una P:101,4 kpa=0,1mpa. GIRALDO 20

de saturación de 99,61 C o sea 100 C como se puede apreciar

21 Lo mismo sería para el primer rectángulo morado con P: 0.01MPa y una T de C un valor de para v, 2437,2 para u y un valor de h: 2583,9. Estos valores sirven de comparación para determinar si el valor de la propiedad corresponde a vapor sobrecalentado o no. GIRALDO 21

22 Es importante notar en la Tabla 1c que los valores de temperatura que aparecen en el primer rectángulo vertical morado, no son de saturación, sino los diferentes valores de temperatura de sobrecalentamiento que le corresponden a las presiones de: 0,01 MPa, 0,05 Mpa y 0,10 Mpa. GIRALDO 22

23 T s o b r e c a l e n t a m i e n t o Tabla 1c. Tablas de vapor de agua sobrecalentado. Temperatura de sobrecalentamiento para presiones de P: 0,05 MPa, 0,05 Mpa, 0,1 Mpa (Cengel, 2009) 23

24 En la Tabla 1d un vapor sobrecalentado a una presión de 0,05 MPa y a una temperatura de 500 C le corresponden unas propiedades de sobrecalentamiento: v = 7,1338 u = 3132,6 h = 3489,3 GIRALDO 24

25 Tabla 1d. Datos de vapor de agua sobrecalentado. Propiedades de sobrecalentamiento para un vapor a una P: 0,05 MPa y una T: 500 C. (Cengel, 2009) 25

26 Ejercicio GIRALDO 26

27 GIRALDO 27

28 Tabla 1e. Tablas de vapor de agua sobrecalentado. Propiedades de un vapor sobrecalentado a P: 0,05 MPa y 150 C. (Cengel, 2007) GIRALDO 28

29 T Tsobrec : 150 C T g : T sat : 81,3 C f Mezcla v promedio u promedio h promedio g T sobrec Tsobrec > Tsat v sobrec > v g v g v sobrec Figura 1a. En el diagrama T v y en la curva T v la temperatura de sobrecalentamiento y las demás propiedades del vapor sobrecalentado son mayores que las propiedades promedio y las propiedades en el punto g de vapor saturado.

30 GIRALDO 30

31 Son las propiedades del vapor sobrecalentado a la P:0,05MPa y T:150 C GIRALDO 31

32 Ejercicio GIRALDO 32

33 Determinar la región donde se encuentra el estado termodinámico y la temperatura del agua: P = 0,6 MPa h = 2957, 6 kj kg GIRALDO 33

34 En las tablas A-6 de sobrecalentamiento diapositiva #37 (porque la presión está en Mpa) se ubica P: 0,6 Mpa. Se observa que aparece P: 0,6 Mpa (158,3 C) T sat = 158,3 C v sat =0,31560 u sat =2566,8 h sat = 2756,2 GIRALDO 34

35 También se puede en este caso buscar en la tablas de saturación A-5 convirtiendo primero 0,6MPa a kpa 0,6Mpa = 600 kpa Y se encuentran los mismos valores de saturación anteriores. (Página 892 de Cengel 5 edición) GIRALDO 35

36 h = 2957, 6 h sat = 2756, 2 h sat =2752,2 Figura 2. El estado termodinámico P: 0,6 MPa y h: 2957,5 kj kg corresponde a vapor sobrecalentado. Si se compara el valor dado de h = 2957,6 con h sat =2752,2. Se observa que es mayor, por tanto el estado es de vapor sobrecalentado. GIRALDO 36

37 Para h = 2957,6 la temperatura correspondiente a la P: 0,6 MPa es de 250 C GIRALDO 37

38 Ejercicio Determine la región de un estado termodinámico a 5 psi y 500 F y hallar sus propiedades v, u, h. GIRALDO 38

39 Si solo fuera para para hallar la región, una manera sería ir a la tabla A5-E de unidades inglesas y se averigua para la P de 5psi que T de saturación se tiene: 5 psi Tsat:162,18 F Como la T dada inicial es mayor se está en la región de vapor sobrecalentado. GIRALDO 39

40 Pero como se requieren las propiedades y se trabaja con unidades inglesas se recurre a la tabla A-6E de Cengel vapor sobrecalentado, Figura 1f. GIRALDO 40

41 TABLA DE VAPOR SOBRECALENTADO PARA EL AGUA. UNIDADES INGLESAS Tabla 1f. Propiedades a P: 5 psi y T:500 F de un vapor sobrecalentado. (Cengel, 2007)

42 GIRALDO 42

43 Bibliografía Cengel, Y., y Boles, M. (2007). Termodinámica. Mc Graw Hill. 5 ed. México. UPM: Página de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) España: stema.html Laplace. Departamento de Física aplicada III. Universidad de Sevilla: _sistemas_termodinmicos.html Calculadora GIRALDO 43

44 a%203a.%20propiedades%20agua.pdf Mollier: GIRALDO 44

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