guia laboratorio 440137

UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍODEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

AREA DE TERMOFLUIDOS

Asignatura: Termodinámica 440137 Guía de Laboratorios Semestre I

2015

Guía de LaboratoriosTermodinámica

440137

I Semestre 2015

Área de Termofluidoswww.dimec.ubiobio.cl/termofluidoswww.ubiobio.cl Rev. 1.0

Página_1 Laboratorios_Termofluidos_2015




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PrefacioEl laboratorio de Termodinámica 440137, complementa la experiencia de aprendizaje para la teoría. Los ejercicios de laboratorio permiten la oportunidad del estudio directo del comportamiento de variables en procesos termodinámicos como presión y temperatura además propiedades como densidad, viscosidad, etc. de las sustancias de trabajo (agua, aire, combustibles, lubricantes). Algunos de los experimentos exponen algunos elementos o material no presentado explícitamente en teoría, pero usted puede realizar la respectiva unión de estos elementos.Utilice el laboratorio como una oportunidad de enriquecer su conocimiento en mediciones básicas y propiedades de sustancias.

Los siguientes “Objetivos de Aprendizaje” para el laboratorio lo guiarán en tomar un rol activo en su educación.

1.- Familiarización con el comportamiento real en procesos termodinámicos tales como compresión, flujos de calor, sistemas bifásicos (líquido-gas), etc. Además de aprender a operar el equipamiento de laboratorio con propiedad y de manera segura.

2.- Desarrollar y reforzar la capacidad de lectura en instrumentación . Lectura de manómetros, medidores de temperatura, densidad, dinamómetros, balanzas, etc. Medir eventos en unidades de tiempo cronometrados. Deberá además ser capaz de medir cantidades con el máximo de precisión utilizando los instrumentos provistos en el laboratorio.

3.- Desarrollar y reforzar la capacidad de observación y documentación.Debe desarrollar buenos hábitos en la organización y recolección de datos en terreno usando un cuaderno o block de notas y tener la precaución con esos datos pues serán analizados después de realizado el ensayo. Deberá hacer un bosquejo de cada uno de los equipos físicos usados en cada experimento. Poner principal atención en la mecánica específica y los detalles operacionales que permitan al equipo funcionar de la manera para la que fue diseñado. Debe ser capaz de listar y describir los pasos usados para obtener las mediciones necesarias. Debe ser capaz de identificar cualquier acción que permita un correcto funcionamiento del equipo y correctos resultados del experimento. De la misma forma debe ser capaz de identificar cualquier acción que contribuya a resultados no deseados o que impliquen errores.

4.- Desarrollar habilidades para presentar un informe escrito.Usted creará informes para documentar su trabajo en el laboratorio. Usted debe usar escritura formal comúnmente usada en documentación técnica en ingeniería. Su informe debe ser completo y conciso. Para desarrollar el informe , debe desarrollar un claro conocimiento del experimento de laboratorio y comunicar ese conocimiento en el docuemento escrito.





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NORMATIVA DE LABORATORIO DE TERMOFLUIDOS

Las sesiones de laboratorio comenzarán con un Test de Entrada correspondiente a la experiencia a realizar. Al finalizar deberá entregar el Informe de la experiencia según la Pauta de Informe entregada por el profesor.

I ASISTENCIA Las sesiones se realizarán según calendarización en Plataforma ADECCA. El porcentaje de asistencia al laboratorio es del 100%. No se aceptarán alumnos o alumnas atrasados (as) una vez iniciada la experiencia y éste no es motivo de

recuperación. En el caso que llegue una vez iniciado el TEST, tendrá Nota 1 (uno) en él. La asistencia al Test de Ciclo es OBLIGATORIA, se asume como otra experiencia. Si la alumna o alumno falta a una experiencia:

a) Sólo podrá recuperarla, si existe CAUSAL DEBIDAMENTE JUSTIFICADA. Toda recuperación se realizará a fin de semestre.

b) Debe presentar Solicitud de Recuperación, como cualquier evaluación.c) Autorizada la recuperación, el profesor definirá día, hora y sala.

II OBLIGACIONES DEL ALUMNO O ALUMNA Estudiar y analizar previamente la experiencia en la Guía de Laboratorio. Antes de ingresar a Laboratorio se debe Apagar el Teléfono Celular. Manejar un cuaderno personal, donde pueda llevar ordenadamente apuntes acerca de las experiencias realizadas y

las propuestas. Lápiz, calculadora, reglas y otras herramientas son de uso Personal. Vestir adecuadamente, usar zapatos cómodos. Evitar uso de gorros, sombreros, bufandas, alhajas, aretes o pulseras. Es obligatorio el uso de Guardapolvo o Delantal. Las experiencias contienen dos o más actividades propuestas, en algunas se realizarán una o más actividades,

quedando como su obligación desarrollar las demás. Disponer de papel Milimetrado, Semilog, Log-Log, cuando corresponda. Revisar su Informe cuando el profesor le indique. Es responsabilidad del Alumno (a) verificar periódicamente sus calificaciones.

III EVALUACIÓNLa nota final de laboratorio se obtendrá de acuerdo a las siguientes ponderaciones:

Promedio Test de Entrada: 15%Promedio Informes: 40%Test de Ciclo: 45%

El Test de Ciclo incluye una o dos de las experiencias realizadas durante el semestre. Las experiencias serán fijadas por el profesor.

No existe nota mínima de aprobación.

Recorte AquíNOTA: (Entregue esta colilla al Auxiliar de Laboratorio)

Declaro conocer la Normativa de LaboratorioNombre Alumno/a:_______________________________________________________________

Código Asignatura._______________________ Fecha:__________________

Firma: __________________________





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Contenidos

1 Medición de Temperaturas 52 Medición de Presión 103 Equivalente Mecánico del Calor 184 Medición de Densidad 235 Título del Vapor 276 Tablas y gráficos 357 Anexo A: Informe Laboratorio 38





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Experimento 1

1.- OBJETIVO

Cuantificar el flujo de calor sensible durante un ensayo de Medición de Temperaturas. Comparar y analizar la Potencia suministrada para producir dicho flujo de calor sensible.

2.- PRINCIPIOS TEÓRICOS

2.1.- Temperatura

Temperatura es una característica del estado térmico de un cuerpo o sustancia referida a su capacidad de comunicar calor a otros cuerpos. Si es absoluta se mide en Kelvin o grados Rankine y si es relativa en grados Celcius o Fahrenheit respectivamente.

Escala Fahrenheit:- Absoluta: Grados Rankine (°R)- Relativa : Grados Fahrenheit (°F)

°R = °F+ 460 ; en rigor: °R = °F + 459.69

Escala Centígrada (Celcius):- Absoluta: Kelvine (K)- Relativa: Grados Celcius (°C)

K = °C + 273 ; en rigor : K =°C + 273.16

Relación escalas Centígrada y Fahrenheit:

°C = 5/9 (°F - 32)

Para la medición de temperaturas se aprovecha la dilatación producida en el material o sustancia considerada, por efecto del estado teórico del cuerpo medido esencialmente.


Medición de Temperaturas




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2.2.- Flujo de calor sensible

Definiremos flujo de calor sensible como la cantidad de calor que absorbe o rechaza el sistema o sustancia en un cierto intervalo de tiempo. Para la medición de este flujo de calor sensible, es necesario medir cada cierto intervalo de tiempo la temperatura del sistema o la sustancia.

3.- DESCRIPCIÓN DEL EQUIPOEl equipo se compone de un vaso precipitado que contiene agua líquida, el vaso se

ubica sobre un trípode y una rejilla metálica con base cerámica, es calentado con llama directa de un mechero Bunsen. Para la medición de temperatura se dispone de un termómetro de columna líquida ubicado en un soporte universal. El flujo volumétrico de gas, se mide con un medidor de flujo volumétrico ubicado sobre el mesón Nº2.

4.- PROCEDIMIENTO

Para la determinación del Flujo de Calor

➢ Leer la escala en el recipiente y definir la masa de agua contenida.➢ Medir y definir la temperatura de inicio del ensayo➢ Poner en cero “0” el cronómetro y comenzar a tomar el tiempo.➢ Cumplidos 1 (un) minuto, se obtiene una medición de temperatura.➢ Se repite este procedimiento hasta cumplir los 10 minutos de ensayo y/o completar

la Tabla de Datos.

Para la determinación de la Potencia Suministrada

➢ Utilizando un medidor de volumétrico de gas, mida el volumen de gas consumido durante el ensayo.

➢ Ubique un punto de referencia en la escala circular . Una revolución implica 5 litros de gas ó 0,1 pie3 de gas (Dependerá del instrumento durante el ensayo). Tome el tiempo que demora en consumir ese volumen de gas el mechero Bunsen.





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5.- RESULTADOS

5.1.- Flujo total de calor durante el ensayo5.2.- Compare los resultados entre el Flujo de Calor y la Potencia Suministrada.5.3.- ¿Que relación existe entre estos resultados obtenidos en 5.1 y 5.2?5.4.- ¿Cuales son las posibles causas de las diferencias presentes en el ensayo?5.5.- Grafique una curva Temperatura v/s Tiempo (en la hoja de informe).5.6.- ¿Que representa dicha curva?

6.- FÓRMULAS

6.1.- Flujo de calor

Donde: Q̇ : Flujo de calor [W ]m : Masa de agua en el contenedor [ Kg ]Cp : Calor específicodel agua 4186 [ J

Kg K ] T : Variación de temperatura del agua en el contenedor [K ]t : Tiempo deensayo [s ]

6.2.- Potencia Suministrada

Donde:P : Potencia suministrada [W ]

V̇ gas : Flujo volumétricode gas [m3

s]

PCS : Poder calorífico superior [kJm3 ]


Q̇ =m Cp T

t

P = V̇ gas PCS




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6.3.- Volumen de gas

6.4.- Flujo Volmétrico de gas

6.5.- PCS gas

7.- TABLA DE MEDICIONES

Medición T (ºC) Tiempo (s)

1 0

2 60

3 120

4 180

5 240

6 300

7 360

8 420

9 480

10 540


V gas = Litros ó pie3

1000Litros = 1 m3

35,31 pie3 = 1 m3

1 kcal = 4186 J

1000 kcal = 1 Mcal

V̇ gas =V gas

Tiempo




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Datos :

• PCSgas licuado: 22.4 (Mcal/m3)

• Densidad del agua : 1000 (kg/ m3 )• Volúmen de Agua : (cm3)





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Experimento 2

1. - OBJETIVOS

Realizar la calibración de un Manómetro de Bourdón utilizando un Calibrador de Peso Muerto. Construir una gráfica Presión Teórica v/s Presión Indicada, utilizando un método de ajuste lineal (Regresión lineal).


La calibración de presión es uno de los mas comunes tipos de calibración realizados en laboratorios y aplicaciones industriales. El equipo es relativamente simple de utilizar y barato en relación a otros equipos sofisticados.

La presión es una unidad derivada de las unidades fundamentales de longitud (l), masa (m), y tiempo (t). Sabemos que la fuerza se define como una masa (m), bajo una aceleración (l/t2) y el área como (l2).

2.1. Presión

Se define la presión como la fuerza aplicada sobre una unidad de superficie.

Símbolo en Sistema Internacional

2.2. Calibrador de Peso Muerto

Los Calibradores de Peso Muerto son el tipo de calibrador de presión mas apliamente utilizado, existe una gran variedad de tipos, con diferentes fluidos, rangos y unidades de presión. El típico Calibrador consiste en una cámara llena de fluido y un émbolo que se desplaza dentro de esta cámara de forma manual, por medio de un vástago roscado o


P = FuerzaÁrea

Pa = Nm2

CALIBRACIÓN DE MANÓMETRO POR PESO MUERTO.




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algún tipo de fuerza externa.

2.3. Fuentes de error en la calibración

➢ Si no se adopta precauciones, el fluido escapa o se filtra por no cerrar bien la válvula de salida.

➢ El equipamiento debe ser manipulado con “Confianza y Propiedad”, no es necesario una presión excesiva sobre el émbolo.

➢ Correcta definición de pesos para cada medición, verifique y ponga en la balanza cada uno de los pesos.

➢ Lectura clara en el Manómetro de Bourdón a calibrar, verifique escala, rango y precisión del instrumento.





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3. - DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

Se emplea un Calibrador de Peso Muerto, equipo consistente en un mini-banco de pruebas y sus respectivos Pesos Calibrados.

Componentes:➢ Cámara cilíndrica vertical, conectada por medio de un conducto a una base

soportante del Manómetro a ensayar, ademas presenta un ducto de rebalse.➢ Vástago cilíndrico calibrado, calza perfectamente en la cámara vertical. Sobre este

vástago se disponen cada uno de los pesos calibrados.➢ Pesos calibres.➢ Balanza digital.➢ Probeta con fluido para el ensayo.

Fig. 1

“Banco de pruebas”4. - PROCEDIMIENTO

➢ Verificar la existencia y correcta disposición de todos elementos descritos en el punto 3.- Descripción del equipo.

➢ Verificar el funcionamiento de la balanza digital.


Banco de Ensayo

Pesos Calibrados

Manómetro

Cámara cilíndrica vertical

Vástago cilíndrico

Válvula




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➢ Pesar el Vástago cilíndrico.➢ Pesar cada uno de los Pesos Calibre. Ordenar sobre el mesón de ensayo.➢ Abrir la válvula ubicada a la derecha del equipo (Única válvula existente) y retirar

el fluido existente en la línea. Siempre se presentarán gotas adheridas en las paredes del conducto, ésto es normal.

➢ Ubicar los conductos de desagüe dentro del Banco de Pruebas. ➢ Con la válvula abierta, rellene lentamente con fluido la Cámara Vertical, cuando

observe que el fluido escurre por el ducto de desagüe ( zona de la válvula ) cierre la válvula. El fluido deberá salir por el rebalse superior.

➢ Nivele por medio del ducto de rebalse.➢ Controle bien el llenado, en caso de ocurrir un derrame, por favor use papel

secante.➢ Ubique con “Propiedad” el vástago cilíndrico, dentro de la Cámara vertical, use

papel secante para retirar el exceso de líquido.➢ Observe el movimiento en la “Aguja” del manómetro. Apunte esto en su

cuaderno de notas. Verfique que por efecto del Vástago y su propio peso, la Presión Indicada en el Manómetro es la correcta.

➢ Ubique en forma secuencial, cada uno de los Pesos Calibre, según orden establecido por usted y/o grupo de trabajo.

➢ Tome nota de cada uno de los fenómenos observados.

El peso de cada Calibre, debe ser medido con la mayor exactitud posible. Puede hacer una pequeña marca con lápiz grafito o numerar

los Calibres. Una vez terminada la experiencia debe limpiar la superficie y todos los elementos utilizados.

5.- RESULTADOS➢ Procesar los datos y realizar una calibración lineal (Regresión Lineal).

➢ Confeccionar curva de calibración para el Manómetro (Presión Teórica v/s Presión Indicada).

➢ Analizar datos, gráficos, presentar cálculos en forma clara y una pequeña conclusión sobre la experiencia realizada..

➢ Desarrollar algún tema sugerido por el profesor.





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6.- TABLAS DE DATOS

Tabla N°1 Tabla N°2

Pesos Calibres Peso ( ) Vástago Vertical

1 Peso ( )

2 Diámetro (mm) 18

3

4

5


Tabla N°3

Pesos Calibres Presión Indicada ( Pa)

Calibre #1

Calibres #1 y #2

Calibres #1 ,#2, #3

Calibres #1 ,#2, #3 y #4

Calibres #1 ,#2, #3, #4 y #5





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8.- TABLA DE RESULTADOS

Tabla N°4Presión Teórica

( )Presión Indicada

( ) % Error

9.- FÓRMULAS

Área Circular:

Presión

Error porcentual


Acírculo=∗D2

4

Presión = F⃗A

Error porcentual = ∣PresiónTeórica−Presión Indicada

PresiónTeórica ∣ ∗ 100




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10.- ANEXORegresión Lineal

Se representa en un gráfico los pares de valores de una distribución bidimensional: la variable “x” en el eje horizontal o abcisa y la variable “y” en el eje vertical u ordenada. Vemos que la nube de puntos sigue una tendencia lineal:

El coeficiente de correlación lineal nos permite determinar si, efectivamente , existe relación entre las dos variables. Una vez que se concluye que sí existe relación, la regresión nos permite determinar la recta que mejor se ajusta a esa nube de puntos.

Una recta se define por la siguiente fórmula:

Donde “y” sería la variable dependiente, es decir, aquella que se define a partir de la otra variable “x” (variable independiente). Para definir la recta hay que determinar los valores de los parámetros “a” y “b”:

El parámetro “a” es el valor que toma la variable dependiente “y” cuando la variable independiente “x” vale 0 (cero), y es el punto donde la recta cruza al eje vertical.

El parámetro “b” determina la pendiente de la recta, su grado de inclinación.

La regresión lineal nos permite calcular el valor de estos dos parámetros, definiendo la recta que mejor se ajusta a esta nube de puntos.


y = ab∗x




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El parámetro “b” se determina por la siguiente fórmula:

El parámetro “a” se determina por:


b = ∑ x i−x yi−y

∑ xi−x 2

a = y−b∗x




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Experimento 3

1.- OBJETIVOS

Determinar en forma experimental el Equivalente mecánico del calor.


La ley de la Conservación de la Energía establece que en los fenómenos de la naturaleza, la energía no puede crearse ni destruirse, sólo hay intercambios y/o transformaciones de ésta.

El calor y el trabajo son mutuamente convertibles entre si, puesto que ambos son formas de energía. En el caso del calor sensible se transmite debido a una diferencia de temperatura y la otra que es energía mecánica, producto de una fuerza y un desplazamiento.

El equivalente mecánico del calor es el número de energía mecánica que se forma en unidades de calor. El equivalente mecánico queda representado así:

El valor acertado para el Equivalente mecánico del calor es de 4186(Joules/kcal) ó 427 (kgm/kcal).

Con este equipo el equivalente mecánico queda determinado midiendo la cantidad de trabajo hecho contra el roce de dos conos de bronce, el cual se mide multiplicando la fuerza medida en un dinamómetro por el desplazamiento angular total y el calor desprendido por el roce de los conos, absorbido por la masa de agua que permanece constante.

Luego la ecuación del equivalente mecánico queda:


J = Trabajo Realizado enel SistemaCalor Rechazado por el Sistema

J = 2∗F∗π∗n∗r(mh2 o+Eh2 o)∗Cph2 o∗Δ T

Equivalente Mecánico del Calor




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Donde:J : Equivalente mecánico del calor.r : Radio del disco en metros.F : Fuerza leída en el dinamómetro.n : Número de revoluciones del cono.Eh2O : Equivalente en agua de los conos, agitador y termómetro.

DT:Variación de temperatura del agua en °C.mh2O: Masa de agua contenida en los Conos.

3.- DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO

El equipo está formado por un sistema de transmisión manual compuesto de una manivela, poleas y engranajes cónicos. Intercalado entre las poleas y los engranajes va un cuenta revoluciones que es parte integral del sistema.

Este sistema trasmite el movimiento de rotación a una camisa calorímetro que reduce la pérdida de calor, en ella se alojan un par de conos de bronce, uno dentro del otro.

El cono externo es el que va fijo a la camisa calorimétrica y gira junto con ella produciendo el roce con el cono interno, que se fija a un disco metálico puesto en el equipo en forma horizontal por medio de tuercas no metálicas.

El disco metálico tiene un orificio donde va alojado un tarugo de caucho con dos perforaciones; en una va un agitador y en la otra un termómetro que mide la temperatura del agua en el cono interno.

Un dinamómetro y una polea con horquilla están ubicados en una varilla soporte.

Otros instrumentos son:- Balanza- Termómetros- Regla.

Especificaciones:Dinamómetro: Rango 0 – 4.5 NSensibilidad = 0.1 NMarca Sargent Welch

Termómetro de Hg : Rango = -10 a 110°CSensibilidad = 1°C





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Fig. 1 “Equipo experimental para Equivalente Mecánico”

4.- PROCEDIMIENTO

- Familiarizarse con el equipo a utilizar.

- Pesar los conos y el agitador, además determinar la cantidad de agua en los conos (por diferencia de pesos).

- Medir la temperatura inicial del agua en los conos.- Girar la manivela por un periodo de tiempo determinado, a la vez medir la cantidad de revoluciones hasta que se termine el trabajo.

- El trabajo se realiza tratando de mantener la fuerza constante en el dinamómetro.- Al finalizar se mide la temperatura- Se repite el procedimiento anterior unas dos o tres veces.

5. - RESULTADOS5.1. Tabule los resultados y obtenga el valor del Equivalente mecánico del calor y compárelo con el valor real.

5.2. Calcule el error del trabajo efectuado en el laboratorio y discútalo.


Aislación

Disco

Cono InferiorCono

Superior

Termómetro

Tuerca

TornilloAgitador




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5.3. Desarrolle algún tema entregado por el profesor.

6.- BIBLIOGRAFIASeminario de Título : Ensayo de equipos y mediciones del laboratorio de

termofluidos.Autor: Orlando Madrid Pozo 1977

Mecanica, calor y sonido. voi. 1 Autor : Francis w. Sears

7.- TABLA DE DATOS

Medición Tº1( ) mH2O Tº2( ) n F( )123


Medición J (J/kcal) Eporc(%)123


Error Porcentual = ∣J teórico − J experimental

J teórico ∣∗ 100




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9.- ANEXO9.1.- Equivalente en AguaSe define como “equivalente en agua”, a la masa de un cierta sustancia que rechaza o absorbe la misma cantidad de calor que una cierta masa de agua.Matemáticamente:

Como la sustancia y el agua estarían sometidos a la misma variación de temperaturas

Despejando :

9.2.- Equivalente en Agua de los sólidos presentes en el Sistema

Donde:

Constantes:


Q s = Qh2o

ms∗Cps∗Δ t s = mh2o∗Cph2o∗Δ th2o

t s = th2o

Cps =mh2o∗Cph2o

ms

E h2o =mconos∗Cp conos + magitador∗Cpagitador + Vol termómetro∗Cptermómetro

Cph2o

Eh2o : Equivalente en agua de los sólidos presentes en el sistemamconos : Masa de los conosCpconos : Calor específico de los conosmagitador : Masa del agitadorCpagitador : Calor específico del agitadorVoltermómetro : Volumen del termómetroCptermómetro : Calor específico del termómetro

Cpconos = Cpagitador 0.096[ calgr ºC ] Vol termómetro : 0.4 cm3

Cptermómetro : 0.043[ calcm3ºC ] Cph2o : 1[ kcal

kg ºC ]




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Experimento 4

1.- OBJETIVOMedir densidades relativas usando densímetros para algunos líquidos . Determinar

densidades, pesos específicos , grados API y grados Baume.


Densidad (ρ): Se define como la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia. En mediciones al ambiente, de precisión, debe corregirse el valor medido para considerar el efecto de flotación.

= mv kg

m3 Donde: m =masa

v =volumen

Peso específico (γ): Se define como el peso del material o sustancia por unidad de volumen.

= wv N

m3 Donde w= m * g

v = volumen

w = peso

g = aceleración de gravedad


Medición de densidad, peso específico, gravedad específica




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Gravedad específica (S): o bien “Densidad Relativa”. Relación entre el peso específico de un volumen dado de fluido a 15.5°C y el peso específico del agua destilada a 4°C.

S =Fluido 15.5ºC

agua 4ºC

ó S =Fluido 15.5ºC

agua 4ºC

Para la medición del peso específico, es corriente en la industria del petróleo, emplear los grados API (American Petroleum Institute) y los grados Baumé (Bureau of Standards). Ambas escalas se basan en atribuir al agua un peso específico de 10 grados.

API = 141.5S

− 131.5

ºBa = 140S

− 130


El instrumento que se utiliza para medir densidad relativa en líquidos es el Aerómetro, que consiste en un tubo de vidrio con lastre y provisto de un vástago en que está impresa la escala (densímetro). Cuanto más espeso es un líquido, mayor es la flotabilidad y más baja es la graduación indicada por la línea de flotación. Mide no solamente la densidad sino también el grado de concentración de una disolución, la fuerza de un alcohol (alcoholímetro), etc.





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3.1.- Esquema instalación

4.- PROCEDIMIENTO

Orden de mediciones:

➢ Disponer de la sustancia (agua, bencina, petroleo, glicerina).

➢ Familiarizarse con la sensibilidad y rango de los instrumentos.

➢ Medir con el densímetro, introduciéndolo en cada uno de los líquidos.

5.- RESULTADOSDeterminar para cada muestra:

➢ Densidad ➢ Peso específico ➢ Gravedad específica

Según valores encontrados, comparar con valores teóricos o reales y entregar


Escala

Aerómetro

Líquido

Probeta




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características del tipo de muestra.

Para el peso específico transformar a grados API y Baumé.

6.- BIBLIOGRAFÍA

• “Laboratorio del Ingeniero Mecánico”, Doolitle, J. Seymour Editorial HASA• “Catalogo ESSO “Control de calidad”. • “Mediciones en Ingeniería”, Collet, C. V., Hope, A.D Editorial G. Gili. • “Instrumentos para medición y control”, Holzbock, W. G.


S Agua Bencina Petroleo Glicerina


ρ γ S API ºBaAguaBencinaPetroleoGlicerina

• Datos:

S.R.C/2015





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Experimento 5

1.- OBJETIVO

Cuantificar el Título de un Vapor durante un proceso de cambio de fase en un calorímetro de mezcla.


Para determinar el estado de una sustancia, se requiere conocer previamante dos propiedades fundamentales e independientes, normalmente se mide presión y temperatura, de modo que también quedan determinadas todas las demás.Para los gases y vapores sobrecalentados (vapor cuya temperatura es mayor a la de saturación (ebullición) a la presión dada) lo anterior es suficiente. Sin embargo, si un vapor está saturado (es decir, si su temperatura es la de saturación), solo puede tener una temperatura para cada presión.Ahora si este vapor saturado contiene líquido en suspensión se denomina vapor saturado húmedo y su presión y temperatura son dependientes y por lo tanto insuficientes para determinar sus propiedades, ya que ellas dependen de esta cantidad de líquido, razón por la cual se emplea como parámetro útil o “propiedad” independiente la Calidad o Título del Vapor, la que puede medirse con un calorímetro.

Relaciones de cálculo para determinar el Título del Vapor

0: Condición inicial (sin vapor)m: Condición final mezcla (con vapor condensado)

Balance de masas: mm = m0 mvh kg

Balance de energías: mm ∗ hm = m0 ∗h0 mvh ∗hvh kJ


Medición del Título de un Vapor




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Donde:

hvh =mm ∗hm − m0 ∗h0

mvh

hvh =mm ∗ c ∗T m − m0 ∗ c ∗T 0

mvh kJ

kg Por otra parte se sabe que para un vapor húmedo a una presión determinada su entalpía se puede calcular a partír de:

hvh = h f X ∗ h fg

hf y hfg se obtienen a partir de tablas, diagramas (Mollier), como también a través de relaciones de cálculo.


3.1.- Calorímetro de mezclaConsiste básicamente en un recipiente termoacumulador estanco, aislado

térmicamante, el cual contendrá agua líquida, cuyo peso y temperatura sean conocidos previamente, por lo que se requiere equiparlo de un termómetro y de una balanza.

A este recipiente se le hará llegar una muestra de vapor saturado húmedo desde la caldera mediante un ducto.

Mediante una válvula de de bola de cierre rápido se permite el paso del vapor saturado húmedo al recipiente.





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3.2.- Esquema

Fig. N°1 “Instalación Caldera - Calorímetro de mezcla”

4.- PROCEDIMIENTO

➢ Alcanzar la condición de régimen de trabajo de la caldera, es decir fijar la presión determianda para el ensayo.

➢ Agregar agua de la red al calorímetro, medir su masa y temperatura inicial.➢ Conectar el recipiente a la línea de toma de muestra.➢ Abrir la válvula de bola lentamente, permitiendo el paso de una masa de vapor al

recipiente.➢ Desconectar el recipiente de la toma de muestra.➢ Medir la masa de la mezcla y su temperatura.





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5.- RESULTADOS

5.1.- Tabla con datos de entrada (mediciones).5.2.- Tabla de resultados.5.3.- Memoria de cálculo.5.4.- Responder:

a) ¿De que depende el Título del Vapor en una caldera?b) ¿Como se podría mejorar la calidad de este vapor?c) ¿Cual de las variables medidas tiene mayor incidencia en el cálculo del título del vapor?





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6.- FÓRMULAS

6.1.- Balance de masas en el Calorímetro de Mezcla

mm = m0 mvh kg

Donde: mm : Masa de la mezcla [kg ]m0 : Masa deagua inicial en el calorímetro [kg ]mvh : Masa del vapor húmedo [kg ]

6.2.- Balance de energía en el Calorímetro de Mezcla

mm ∗ hm = m0 ∗h0 mvh ∗hvh kJ

Donde:mm : Masa de la mezcla final enel calorímetro [kg ]hm : Entalpíade la mezcla final enel calorímetro [kJ /kg ]m0 : Masa deagua inicial enel calorímetro [kg ]hm : Entalpíadel agua inicial enel calorímetro [kJ /kg ]mvh : Masa del vapor húmedo desdela caldera al calorímetro [kg ]hvh : Entalpía del vapor húmedo desdela caldera al calorímetro [kJ /kg ]

6.3.- Título del Vapor en la caldera

hvh = h f X ∗ h fg

Donde:hf : Entalpía de líquido saturado (kJ/kg), a la prresión considerada.hfg : Calor latente de vaporización (kJ/kg), a la prresión considerada.X : Calidad o Título del Vapor (%).





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6.4.- Título del Vapor en el ensayo

Del balance energía

mm ∗ hm = m0 ∗h0 mvh ∗hvh

Despejando hvh se tiene que:

hvh =mm ∗hm − m0 ∗h0

mvh

Como la mezcla final y el agua inicial en el calorímetro se encuentran a presión atmosférica, esto implica un estado de “líquido sub-enfriado” (temperatura bajo la temperatura de saturación). Se puede aplicar lo siguiente:

h0 = C ∗ T 0

hm = C ∗ T m

Donde: h0 : Entalpía del agua [kJ /kg ]h0 : Entalpía de la mezcla [kJ /kg ]C : Constante : 4,1868T 0 : Temperatura del agua [° C ]T m : Temperatura de la mezcla [° C ]

Ahora la ecuación de balance de energía en el calorímetro es:

hvh =mm ∗ c ∗T m − m0 ∗ c ∗T 0

mvh

Como todos las variables son medibles o se obtienen durante el ensayo, es posible cuantificar la Entalpía del Vapor Húmedo en la caldera de experimentación.





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Finalmente como hvh es conocido, de la ecuación 6.3 se despeja X (Título delVapor) y se tiene:

X =hvh − h f

h fg





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Variable Descripción Valor Unidad de Medida

P Presión manómetrica del vapor saturado húmedo kg/cm2

m0 Masa inicial de líquido en el calorímetro kg

mm Masa final de líquido en el calorímetro kg

ToTemperatura inicial del líquido en el calorímetro °C

TmTemperatura final del líquido en el calorímetro °C

Datos :

• Masa del Calorímetro: (kg)• Presión atmosférica: (mm Hg)





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Tablas y gráficos





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Tabla de Vapor SaturadoTabla N°1

Presión Absoluta Temperatura Saturación

Entalpía Específica

Líquido (hf) Calor Latente de Vaporización (hfg) Gas (hg)

bar ºC kJ/kg kJ/kg kJ/kg

1,013 100,00 419,0 2257,0 2676,0

1,213 105,10 440,8 2243,4 2684,2

1,413 109,55 459,7 2231,3 2691,0

1,613 113,56 476,4 2220,4 2696,8

1,813 117,14 491,6 2210,5 2702,1

2,013 120,42 505,6 2201,1 2706,7

2,213 123,46 518,7 2192,8 2711,5

2,413 126,28 530,5 2184,8 2715,3

2,613 128,89 541,6 2177,3 2718,9

2,813 131,37 552,3 2170,1 2722,4

3,013 133,69 562,2 2163,3 2725,5

3,213 135,88 271,7 2156,9 2728,6

3,413 138,01 580,7 2150,7 2731,4

3,613 140,00 589,2 2144,7 2733,9

3,813 141,92 597,4 2139,0 2736,4

4,013 143,75 605,3 2133,4 2738,7

4,213 145,46 612,9 2128,1 2741,0

4,413 147,20 620,0 2122,9 2742,9

4,613 148,84 627,1 2117,8 2744,9

4,813 150,44 634,0 2112,9 2746,9

5,013 151,96 640,7 2108,1 2748,8

5,213 153,40 647,1 2103,5 2750,6

5,413 154,84 653,3 2098,9 2752,2

5,613 156,24 659,3 2094,5 2753,8

5,813 157,62 665,2 2090,2 2755,4

6,013 158,92 670,9 2086,0 2756,9





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Diagrama de Mollier

Fuente: EngineeringTolbox

Fig. N°2 “Diagrama de Mollier”





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Anexo AInforme de Laboratorio

El objetivo primario de un Informe en ingeniería es transmitir información técnica a individuos que tengan la misma preparación que el autor. La información en el informe debe ser presentada tan clara y precisa como sea posible, pero siempre con el detalle suficiente para que el método y los datos sean comprendidos por el lector.

Contenidos

El informe de laboratorio se compone de las siguientes secciones:

1.- Tapa ó Cubierta. Esta tapa permite la rápida identificación del informe. Debe presentar el número y el título del experimento, el nombre del autor y/o autores, la fecha de la experiencia y la sección de laboratorio (identificar por día y horario).2.- Introducción. La introducción es donde se explica el propósito del experimento. Dada una visión general de los métodos usados y de resultados esperados. Para este caso la introducción debe ser breve. Un párrafo es suficiente.3.- Equipamiento. Un breve bosquejo del equipamiento y una descripción breve en palabras. Las figuras y esquemas deben numerarse según convención (presentada mas adelante). 4.- Procedimiento. Brevemente describir el procedimento usado en el experimiento. No copie literalmente la guía de laboratorio. Describa los pasos necesarios para lograr los resultados correctos.5.- Datos. Debe presentar claramente los datos de la experimentación en las unidades correspondientes. Puede ser una Tabla de datos según convención (presentada mas adelante). 6.- Ejemplo de cálculo. Dar un ejemplo de cálculo, comenzando con los datos originales y realizando los correspondientes cambios de unidades para presentar un resultado coherente.7.- Resultados. Los resultados deben presentar los datos procesados en formato tabular (una tabla) y/o gráfico. La tablas y gáficos deben presentar una leyenda que describa que contiene o representan estos elementos. Una frase es suficiente. Los resultados que “NO” presenten esta narrativa serán ignorados.8.- Conclusión. Representa la comprensión del ensayo y el significado de los resultados. En esta sección puede discutir los resultados, explicar las fuentes de error, verificar los límites





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de precisión que expliquen discrepancias en datos, si algo se olvidó o está errado con el experimento. Si es posible entregar procedimientos alternativos para obtener lo mismo o mejores resultados. Responder cualquier pregunta hecha en la guía de laboratorio. Cumplimiento del objetivo de la experiencia.

Convención de Forma

Los informes técnicos en ingeniería son documentos estructurados con los contenidos descritos en la sección anterior. El informe de laboratorio debe ser presentado conforme a los estandares comunicacionales profesionales y el buen uso del idioma español. La apariencia visual debe ser clara y precisa.

Formato:

1.- Debe ser escrito con letra clara y explicando en forma precisa lo realizado:

Por ejemplo:Mal: Los números están cercanos considerando el total de los datos

Bien: “Los valores de viscosidad están dentro del 15% de los valores presentados en la tabla 3.1”

2.- En tercera persona.

Primera persona: Repetimos el ensayo tres veces y calculamos el promedio con esos datos.Tercera persona: El ensayo se repitió tres veces y el promedio se calculó con estos datos.

Figuras y tablas

Una figura es cualquier dibujo, fotografía o gráfico de datos. Todas las figuras y tablas deben ser numeradas. Cuando su informe sea evaluado las figuras y tablas que NO estén numeradas NO se evaluarán.Las tablas deben ser “tituladas” incluyendo el número y una breve descripción que indique el contenido de la tabla. Ejemplo Tabla 1.1 implica que es la tabla número uno del capítulo uno.





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Las figuras se describen en la parte inferior indicando el número y una breve descripción del contenido.

Ejemplo de tabla y figura.

Tabla 1.1: Resultados de la medición de viscosidad a 20°C. El porcentaje de desviación es relativo a los valores publicados.

Valores de viscosidad, kg/m*s

Fluido Esfera test Experimental Publicado Porcentaje de desviación

Glicerina Metal pequeña 1,85 1,50 +23

Glicerina Metal grande 1,72 1,50 +15

Agua Metal grande 0,75x10-3 1,00x10-3 -25

Agua Vidrio 1,13x10-3 1,00x10-3 +13

Figura 1.1: Curvas de rendimiento v/s caudal y NPSH req. para la bomba centrífuga ensayada.


guia laboratorio 440137

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