SERVICIOS AUXILIARES DE PROCESOS
Clase Introductoria_1 Actividad de Aprendizaje_11 Vapor de agua_fundamentos técnicos
Ms. Ing. BENIGNO ENRIQUE MIÑANO CALDERÓN
Impacto de los Puentes de Hidrógeno en el agua 1) H2S (gas) Vs H2O (líquido) a25°C
2) Propiedades Térmicas del agua 3) Cambios de estado
4) Tensión Superficial 5) El hielo Flota 6) El agua como solvente
Calor de Vaporización • Es el cambio de líquido a gas. • El agua tiene un alto calor de vaporización.
• En su punto de ebullición (100 ºC y 1 atm), se necesitan 540 calorías para convertir un gramo de agua líquida en vapor, casi 60 veces más que para el éter y casi el doble que para el amoníaco.
• Para que una molécula de agua se evapore, deben romperse los puentes de H. Esto requiere energía térmica. • Así, la evaporación tiene un efecto refrigerante y es uno de los principales medios por los cuales los organismos “descargan” el exceso de calor y estabilizan sus temperaturas.
Alta capacidad calorífico o Calor específico • Debido a su alta capacidad calorífica, el agua puede minimizar los cambios en la temperatura. Por ejemplo, la capacidad calorífica del agua es unas cinco veces mayor que la de la arena. La tierra se enfría más rápido que el mar una vez que se mete el sol, y el agua que se enfría más lentamente puede liberar calor a la tierra cercana durante la noche. Si queremos aumentar la temperatura de cierta masa de agua 1°C necesitamos mayor cantidad de calor que para la arena o si ponemos la misma cantidad de energía en los dos aumentaremos más la temperatura de la arena que del agua.
Resistencia a los cambios de temperatura • • •
El calor específico del agua es aprox. El doble que el del aceite o del alcohol, 4 veces el del aire o del aluminio y diez veces el del acero. Sólo el amoníaco líquido tiene un calor específico más alto.
¿Para que?
¿Qué es?
Vapor de H2O
¿Por que?
¿Qué es el vapor?
Aplicando calor: • El hielo pasa a líquido • La temperatura del líquido aumenta • El líquido se convierte en gas (vapor saturado) • Aplicando más calor se obtiene vapor sobrecalentado
Centraremos la atención en las fases líquido / gas y en el cambio de una a la otra.
El agua puede estar en tres estados: Sólido Líquido Gas (vapor)
Qué es el Vapor Es agua en estado gaseoso. Si se añade calor al agua, su temperatura aumenta hasta que alcanza un valor a partir del cual ya no puede estar como líquido. Cualquier nuevo aporte de energía hará que parte del agua cambie de estado y se convierta en vapor.
540 kcal/kg 80 kcal/kg
hielo
agua
vapor
¿Qué es el vapor? • La evaporación requiere una cantidad importante de energía y mientras se está produciendo, el agua y el vapor formado tienen la misma temperatura • Cuando el vapor libera esta energía se convierte en agua, sin cambio de temperatura.
¿Qué es el vapor? • Temperatura de saturación y Presión de saturación. La temperatura a la que el agua empieza a hervir depende de la presión; en consecuencia, si la presión es constante, lo mismo sucede con la temperatura de ebullición. A una presión dada, la temperatura a la que una sustancia pura cambia de fase se llama temperatura de saturación, Tsat. Del mismo modo, a una temperatura determinada, la presión a la que una sustancia pura cambia de fase recibe el nombre de presión de saturación, Psat.
La cantidad de energía absorbida o generada durante el proceso de cambio de fase se llama calor latente. Durante la fusión, el calor latente de fusión equivale a la cantidad de energía liberada durante la congelación. Durante la vaporización el calor latente de vaporización es equivalente a la energía liberada durante la condensación. Durante el proceso de cambio de fase la presión y la temperatura son propiedades dependientes mediante la relación: Tsat = (f) Psat . Una gráfica Tsat vs Psat recibe el nombre de curva de saturación L – V, curva característica de todas las sustancias puras. Tsat aumenta con Psat. En consecuencia, una sustancia a presiones mayores hervirá a temperaturas más altas.
¿Qué es el vapor?
¿Qué es el vapor? Estados de líquido saturado y de vapor saturado. Las propiedades de líquido saturado y de vapor saturado para el agua se enumeran en las tablas. Ambas proporcionan la misma información. La única diferencia es que en una de las tablas las propiedades se presentan bajo la temperatura y en la otra tabla bajo la presión. En consecuencia se utiliza la 1era tabla cuando se tiene la temperatura y la 2da tabla en el caso de que se dé la presión. El uso de la 1era tabla se muestra en la figura.
El subíndice f se emplea para denotar propiedades de un líquido saturado y el subíndice g, para las propiedades de vapor saturado. Otro subíndice utilizado es fg, el cual denota la diferencia entre los valores de vapor saturado y líquido saturado de la misma propiedad. Por ejemplo, vf = volumen específico del líquido saturado. vg = volumen específico del vapor saturado. Y vfg = diferencia entre vg y vf (esto es, vfg = vg – vf). La cantidad hfg se llama entalpía de vaporización (o calor latente de vaporización). Representa la cantidad de energía necesaria para evaporar una masa unitaria de líquido saturado a una temperatura o presión determinada. Disminuye cuando aumenta la temperatura o la presión y se vuelve cero en el punto crítico.
¿Qué es el vapor?
Ejemplo: ►Un recipiente rígido contiene 50 Kg. de agua líquida saturada a 90 oC. Determine la presión en el recipiente y el volumen del mismo. Solución. Localizamos en la tabla de saturación en función de la temperatura la temperatura de 90 oC (tsat ya que el recipiente contiene agua líquida saturada) y determinamos la presión de saturación.
La cual es Psat 90oC = 70,14 kPa. El volumen específico del líquido saturado seria vf 90oC = 0,001036 m3/kg, sabemos que el volumen especifico es volumen por unidad de masa tenemos que: V m3 v V vm (50kg )(0,001036 ) 0,0518 m 3 m kg
Entonces el volumen total del recipiente es 0,0518 m3.
¿Qué es el vapor? Mezcla saturada de líquido – vapor. Durante el proceso de evaporación, una sustancia existe como una parte líquida y otra de vapor. Esto es, es una mezcla de líquido y vapor saturados. Para analizar esta mezcla de manera apropiada, es necesario conocer las proporciones de las fases líquida y de vapor en la mezcla. Esto se obtiene al definir una nueva propiedad llamada la calidad, x, como la razón entre la masa de vapor y la masa total de la mezcla.
X = m vapor m total Donde m total = m líquido + m vapor = m f + m g La calidad tiene significado sólo para mezclas saturadas. No tiene significado en las regiones de líquido comprimido o de vapor sobrecalentado. Su valor se encuentra siempre entre 0 y 1. La calidad de un sistema compuesto por líquido saturado es 0 (ó 0%) y la calidad de un sistema compuesto por vapor saturado es 1 (ó 100%). En mezclas saturadas, la calidad puede servir como una de las dos propiedades intensivas independientes necesarias para describir un estado. Advierta que las propiedades del líquido saturado son las mismas sea que exista solo o en una mezcla con vapor saturado. Durante el proceso de vaporización sólo cambia la cantidad de líquido saturado, no sus propiedades. Lo mismo sucede con el vapor saturado.
¿Qué es el vapor? Una mezcla saturada puede tratarse como una combinación de dos subsistemas: el líquido saturado y el vapor saturado. Sin embargo, la cantidad de masa en cada fase suele desconocerse. En consecuencia, es conveniente imaginar que las dos fases están muy bien mezcladas y forman una mezcla homogénea. En ese caso las propiedades de esta “mezcla” serán las propiedades promedio de la mezcla saturada de líquido – vapor considerada.
Los valores de las propiedades promedio de las mezclas siempre están entre los valores de las propiedades del líquido y vapor saturados. Esto es,
vf ≤ v ≤ vg Por último, todos los estados de mezcla saturadas se localizan bajo la curva de saturación, y para analizar mezclas saturadas todo lo que necesitamos son datos de líquido saturado y de vapor saturado (1era y 2da Tabla en el caso del agua).
¿Qué es el vapor? Una olla cuyo diámetro interior es de 20 cm está llena con agua y cubierta con una tapa de 4 kg. Si la presión atmosférica local es de 101 kPa, determine la temperatura a la cual el agua empezará a hervir cuando se caliente.
La presión atmosférica promedio en Jimbe (altura = 1610 m) es 83.4 kPa. Determine la temperatura a la que el agua en una cacerola descubierta hervirá en dicha ciudad. Un dispositivo de cilindro – émbolo contiene 2 ft3 de vapor de agua saturado a 50 psia de presión. Determine la temperatura del vapor y la masa del vapor dentro del cilindro. Una masa de 200 g de agua líquida saturada se evapora completamente a una presión constante de 100 kPa. Determine a) el cambio en el volumen y b) la cantidad de energía añadida al agua. Un recipiente rígido contiene 10 kg de agua a 90 oC. Si 8 kg de agua están en forma líquida y el resto es vapor, determine a) la presión en el recipiente y b) el volumen del recipiente.
¿Para qué se usa el vapor? Inicialmente se utilizó para producir fuerza motriz (máquina de vapor)
Agua + Calor = Vapor
Vapor - Calor = Agua
Luego se descubrió que el vapor también era muy eficaz como medio de transporte de energía calorífica
¿Para qué se usa el vapor?
• En la actualidad se usa como fuerza motriz en la producción de energía eléctrica (turbinas)
• Como
medio de transferencia de calor existen multitud de industrias:
• Petroquímica,
Química, Farmacéutica, Metalúrgica, Naval, Textil, Papelera, Cervecera, Tabacalera, Alimentación, Bebidas, Caucho, Servicios, etc.
• En procesos muy diversos: • Calentar, evaporar, fundir, esterilizar, secar, humidificar, cocinar, lavar, planchar, vacío, etc.
¿Porqué se usa el vapor? • Para su producción se utiliza agua: • Abundante, “barata”, fácil de obtener • La obtención del vapor es sencilla: basta con calentar agua en el interior de una caldera hasta alcanzar la temperatura y presión adecuadas. • - No necesita energía adicional para su transporte, ya que se distribuye desde la propia caldera de generación. • Es muy controlable: • A cada presión le corresponde una temperatura, una energía específica, un volumen específico • Con un sistema de válvulas resulta sencillo el control de la presión y la temperatura del sistema de vapor.
• Transporta cantidades de energía elevadas por unidad de masa: • Menor superficie de intercambio en los procesos y menor cantidad de fluido usado • El vapor tiene un excelente coeficiente de transferencia térmica (2,3-2,9 kW/(m2 ·C º), por lo que resulta relativamente fácil que el vapor transfiera su calor a otros puntos del sistema que se encuentren a menor temperatura. • No presenta riesgo de incendio. • Es estéril y de fácil distribución.
Cantidad de Calor Se trata de la energía que el objeto cede o absorbe, el calor es simplemente otra forma de energía que solo puede medirse en términos del efecto que produce. La unidad del sistema internacional para medir la cantidad de calor es el Joule, sin embargo hay tres formas antiguas para medir la energía térmica que son: Caloría (cal): es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 g de agua en un grado Celsius. Kilocalorías (kcal): es la cantidad de calor necesario para elevar la temperatura de 1 kg de agua a un grado Celsius. Unidad Térmica Británica (BTU): es la cantidad de energía necesaria para elevar una libramasa (lb) en un grado Fahrenheit. Las equivalencias de estas unidades de cantidad de calor son: 1 BTU= 252 cal = 0.252 kcal Los resultados más aceptados para la relación cuantitativa de los Joules con los anteriores son: 1 cal= 4.186 J 1 kcal= 4186 J 1 BTU= 778 ft*lb
Tipos de Calor Debido al efecto que se produce en los cuerpos al ceder o ganar “calor�, existen dos tipos de calor:
ď ąCalor sensible Es el calor cedido o absorbido por un cuerpo para elevar su temperatura.
đ?‘„ = đ?‘šđ??śđ?‘’ ∆đ?‘Ą ď ąCalor latente El calor latente de fusiĂłn y el calor latente de vaporizaciĂłn son las pĂŠrdidas o ganancias de calor en una masa (m)durante un cambio de fase, no hay cambio alguno de temperatura.
Q= đ?‘š đ?œ†đ?‘Ł
Aplicación de lo aprendido Si el calor específico del acero es 0,12 [cal/g°C], la cantidad de calor necesaria para que 400[g] de acero pasen de 20 [°C] a 100 [°C] es? Un trozo de azufre, de masa 200 (g), se encuentra a una temperatura de 119 (ºC). Si se le suministran 650 (cal), ¿qué masa de azufre se fundirá? (Lf=13 (cal/g)). El punto de fusión del azufre es 119 (ºC) ¿Qué cantidad de calor se debe suministrar a 100 g de hielo a 0º para que se transformen en agua a 20º C? (Lf = 80 cal/g). Un cubo de hielo de 20g a 0°c se calienta hasta que 15gr se ha convertido en agua a 100°c y 5g se ha convertido en vapor ¿cuánto calor se necesita para lograr esto? Calcula el calor necesario para transformar 1 kg de hielo a –10ºC en vapor de agua a 110ºC a presión atmosférica. (LF = 3,34 ·105 J/kg; LV = 2,26 ·106 J/kg)
Ahorro por Reducción y Control de Presión Ejercicio a 1) Calentamiento de tinas de agua DATOS - P: 10 barg = 1000 KPa - Ti: 15 ºC - Tf:65 ºC - m:10000 kg - t: 30 min
2. Calcular requerimiento energético Usar la ecuación para caudal energético Q =m*Cp*(Tf-Ti)/tiempo Con Cp del agua = 4,184 [kJ / kg·ºC]
por Reducción y control de presión EjercicioAhorro a: Resultado 1) Calentamiento de tinas de agua DATOS - P: 10 barg = 1000 KPa - Ti: 15 ºC
.
- Tf: 65 ºC - m: 10000 kg - t: 30 min
2. Calcular requerimiento energético Usar la ecuación para caudal energético Q = 10.000·4,184·(65-15) / 1.800 [s]
Q = 1.162 [kJ/s]
Ahorro por Reducción y control de presión Ejercicio b 1) Calentamiento de tinas de agua DATOS - P: 10 barg = 1000 KPa
- Ti: 15 ºC
.
- Tf: 65 ºC
- m: 10000 kg - t: 30 min
2. Calcular Vapor necesario a 10 bar (1000 Kpa) y a 2 bar (200 Kpa) Usar la ecuación masa(vapor) = Q / hfc Con hfc = Entalpía de evaporación a la presión X
Ahorro por Reducciรณn y control de presiรณn
Ejercicio b: RESULTADO 1) Calentamiento de tinas de agua DATOS
- P: 10 barg - Ti: 15 ยบC
.
- Tf: 65 ยบC - m: 10000 kg - t: 30 min
2. Calcular Vapor necesario a 10 bar (1000 Kpa) y a 2 bar (200 Kpa) Masa a 10 bar (vapor) = 1.162 [kJ/s] / 2.000 [kJ/kg] = 2.092 [kg / hora] Masa a 2 bar (vapor) = 1.162 [kJ/s] / 2.163 [kJ/kg] = 1.934
[kg / hora]
Ahorro por Reducción y control de presión Ejercicio b: RESULTADO FINAL I) CALENTAMIENTO DE TINAS DE AGUA
DATOS
- P: 10 barg - Ti: 15 ºC
.
- Tf: 65 ºC - m: 10000 kg
- t: 30 min
Diferencia de flujo: 156 [kg / hora] Costo del vapor : 15 [$ / kg vapor] Ahorro =2340 [$/hr] Año 3840 hr $8.985.600