iv-2012-ax-01-ia-revisión calorímetros

Grupo de Investigación Recobro Mejorado

INFORME DE AVANCE Nº 1

http://petro-villa.blogspot.com/2010/03/el-pozo-ilustrado.htmlRevisión Bibliográfica de Calorímetros: Tipos y usos en la Industria del PetróleoMayo-Junio de 2012

Diego Alexánder Vera UribeEstudiante de Ingeniería MecánicaAuxiliar de Investigación - Grupo de Recobro MejoradoUniversidad Industrial de Santander

Objetivo general del trabajo

Realizar una investigación en la bibliografía que permita establecer el calorímetro a diseñar en el método de inyección de vapor para el recobro del petróleo.

Objetivos específicos

Identificar los calorímetros experimentales usados para medir la calidad del vapor Conocer el funcionamiento de los calorímetros y determinar el idóneo para usar en el método de

inyección de vapor Investigar acerca de los calorímetros usados en la industria del petróleo Definir los parámetros iniciales para hacer el Plan de Proyecto de Grado que permita diseñar el

calorímetro.

RESUMEN

Con el ánimo de estudiar y conocer los calorímetros de vapor como paso previo para el diseño de uno, éste informe presenta los principales tipos de calorímetros, su clasificación de acuerdo a su funcionamiento, y algunas características que permiten compararlos entre unos y otros. Las diferencias más claras entre los calorímetros que se definirán son el método de medición de la cantidad de agua en la muestra de vapor, la presión de funcionamiento, la dirección del flujo de vapor y los elementos mecánicos y/o eléctricos que los conforman.

INTRODUCCIÓN

Un calorímetro de vapor es un dispositivo que permite tomar una muestra de vapor que circula por una línea de flujo. Los diversos tipos de calorímetros lo que pretenden en general, es separar la humedad presente en el vapor, del vapor seco, medir dichas cantidades y calcular así la calidad o título del vapor, a partir de la relación:

X= masade vapor secomasade vapor seco+masade humedad (1)

En el presente informe, además de presentarse el funcionamiento de los diversos tipos de calorímetros, se muestra un diagrama en vista de corte para cada uno, a través de los cuales se puede entender el camino que recorre el vapor y la ubicación de los elementos que componen un calorímetro.

Diego Alexánder Vera Uribe Universidad Industrial de Santander

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REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA DE CALORÍMETROS: TIPOS Y USOS EN LA INDUSTRIA DEL PETRÓLEO 2

1. Tipos de Calorímetros

1.1. Calorímetros de Medición Directa: Calorímetro de Separación

Ésta clase de calorímetros son utilizados para determinar la calidad de vapores que estando a presiones relativamente bajas, la humedad exceda el 2% y cuando para calderas modernas, la humedad exceda el 5%.

En estos instrumentos el agua es removida de la muestra de vapor por separación mecánica, en la misma forma como se hace en un simple separador ordinario de vapor instalado en las líneas principales de una planta de potencia.

El aparato está provisto de un tubo calibrado de vidrio para determinar la cantidad de agua recogida, luego de producirse la separación del vapor seco y el vapor de agua.

Ésta separación mecánica depende para su acción de un cambio brusco de la dirección del flujo y una reducción de la velocidad del vapor. Como en la mezcla el agua es aproximadamente trescientas veces más pesada que el vapor a la presión entregada por la máquina, el agua será depositada en el fondo del aparato a causa de su mayor inercia.

Una de las formas más simples de calorímetro de separación, hecho de tubo, es mostrado en la figura 1.1. La muestra de vapor entra por A, pasa hacia abajo a través del tubo vertical P, cerrado en el otro extremo, del cual escapa a través de una serie de agujeros de 1/8 de pulgada; Al pasar a través de éstos agujeros, la dirección del flujo es cambiada abruptamente para producir la separación agua-vapor seco, entonces el vapor seco debe ir hacia arriba para salir por D. El agua es depositada en el fondo del recipiente V, y su volumen o peso pueden ser determinados por la altura que indique la calibración del tubo de vidrio. El

vapor descargado por D debe ser condensado en un cubo que contenga agua fría y luego medido su volumen o peso. El porcentaje de humedad es entonces encontrado dividiendo el peso del agua recogida en V, por el peso del vapor condensado y el peso del agua recogida en V.

Y= pesodel aguapesodel vapor seco+peso del agua (2)

Figura 1. Calorímetro de Separación

1.2. Calorímetros de Recalentamiento:Calorímetro de Estrangulación.

Para determinar la calidad de un vapor, éstos calorímetros emplean el proceso de estrangulamiento, el cual se define por h1=h2

como un proceso isoentálpico. P2

Supongamos que se desea conocer dicha calidad en el punto 1, figura 1.2, de una tubería de vapor.

Diego

Alexánder Vera Uribe Universidad Industrial de

Santander



Si una muestra de éste vapor a alta presión es estrangulado a una presión menor, entonces, dentro de ciertos límites, se volverá recalentado, punto 2.

Figura 2. Diagrama T-S para Calorímetros de Estrangulación

En la condición recalentada, podemos medir su presión y temperatura, localizando así con su precisión el punto 2.

Con la presión y temperatura conocidas, se puede obtener la entalpía, h2, con las tablas de vapor recalentado.

Entonces:

h2=(h f+X 1∙ hfg) (3)

Con lo cual se puede hallar X1, buscando la entalpía de líquido saturado y la entalpía de vaporización, que corresponden a una presión conocida P1.

Éste tipo de calorímetros, se emplean para vapores de bajo contenido de humedad, para que después de producirse el estrangulamiento del vapor en el calorímetro, pase al estado sobrecalentado, punto 2; ya que si el vapor inicialmente está húmedo puede no transformarse en recalentado en el calorímetro, en cuyo caso las lecturas del calorímetro no tienen sentido, pues la temperatura y la presión serán las de saturación.

Éste es el tipo de calorímetro más usado por la facilidad de su fabricación, y sus detalles

esenciales se muestran en la figura 1.3. Opera pasando una muestra de vapor tomada de la línea principal a través de una válvula y de un orificio de estrangulamiento en el interior del calorímetro, aquí el vapor a baja presión rodea completamente el termómetro antes de salir por el fondo abierto.

La presión del vapor en el calorímetro es obtenida por medio de un manómetro de baja presión. El orificio de estrangulación tiene alrededor de 0.08 pulgadas y el cuerpo del calorímetro es de aproximadamente 2¼ pulgadas de diámetro y 5 pulgadas de largo. El cuerpo del calorímetro debe estar bien aislado para evitar pérdidas de calor por radiación y convección natural, que producirían condensación del vapor, variando así los resultados de la prueba y en algunos casos evitando que el vapor después del estrangulamiento llegue a ser recalentado.

Figura 3. Calorímetro de Estrangulación

La siguiente tabla muestra las limitaciones funcionales de los calorímetros de estrangulación en función de la presión manométrica de la línea.

Tabla 1. Límites del Calorímetro de Estrangulación

Presión PSI

Máximo Porcentaje

de Humedad

Calidad del Vapor por Porcentaje

285.3 6.7 93.3235.3 6.2 93.8185.3 5.6 94.4160.3 5.3 94.7135.3 4.9 95.1

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110.3 4.6 95.485.3 4.0 96.060.3 3.3 96.735.3 2.5 97.5

1.2.1. Calorímetro Crosby de dos presiones.

Está provisto de dos orificios O y O’. Uno de los orificios O, suministra vapor a la cámara C, en la cual se mide la temperatura, y el orificio O’ suministra vapor a la camisa de vapor J.J que rodea la cámara C. El vapor de la camisa está así a la misma temperatura que el vapor dentro de la cámara C, donde se toma la temperatura. La presión de la cámara C y la camisa de vapor J.J son así mismo iguales, de tal manera que es poco probable que la temperatura de la camisa tenga influencia sobre la temperatura de la cámara de vapor. El flujo va hacia abajo, para así evitar cualquier concentración de condensado, tanto en la camisa como en la cámara.

Figura 4. Calorímetro Crosby de dos Presiones

La ASME establece que a causa de que el cuerpo de éste calorímetro es de bronce y es altamente pulido en la parte exterior y como además tiene una buena camisa de vapor, las pérdidas por radiación pueden considerarse despreciables.

El principio en el que se basa éste calorímetro, estrangulación, hace necesario que para obtener calidad de muestra de vapor que está circulando por el aparato se emplee la siguiente fórmula:

X1=hg2+Cp (t c−t 2 )−h f 1

hfg 1

(4)

1.2.2. Calorímetro Externo de Recalentamiento

Es un tipo de calorímetro de vapor arreglado para recalentar vapor por medio de una fuente externa de calor. (Figura 1.5)

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Consiste en un tubo de suministro S1, el cual está conectado a la boquilla de tomar las muestras, que suministra el vapor que va a ser probado; y otro S2, también conectada a la línea principal de vapor, pero no a través de una boquilla; éste vapor se le suministra al recalentador H. El objetivo del recalentador y el vapor recalentado es el de suministrar el calor suficiente para vaporizar completamente y recalentar la mezcla de vapor.

Figura 5. Calorímetro Externo de Recalentamiento

En la operación de éste calorímetro, el vapor fluye hacia abajo a través de S1, el cual en la mayor parte de su longitud es recubierto, por el tubo J que sirve de camisa. Un buen aislante de calor debe ser colocado alrededor del tubo que sirve de camisa, como también en los otros tubos. Las condiciones deben ser

tales que la muestra de vapor que va a ser probada y que pasa a través del tubo encamisado S1, será primero secada y entonces recalentada por la absorción de calor del vapor recalentado que va por la camisa.

En un buen diseño, los dos brazos que suministran vapor (S1 y S2) deben estar calculados para transportar igual cantidad de vapor. Entonces si la radiación es despreciada, la pérdida de calor del vapor recalentado debe ser igual a la cantidad de calor ganado por la muestra de vapor.

Para calcular la cantidad X1 con éste tipo de calorímetro, la siguiente ecuación es usada:

X=[ 1−W 1

W∙ (hg3−hg4 )−(hg2−hg1 )

hfg 1] ∙100

(5)

Dónde:

W = peso del vapor saturado fluyendo a través del calorímetro en un determinado tiempo, en Kg/s

W1 = peso del vapor recalentado fluyendo a través de la camisa en un determinado tiempo, en Kg/s

hg1 = entalpía de vapor saturado correspondiente a la presión absoluta en la línea, en Kcal/Kg

hg2 = entalpía de la muestra de vapor saliendo del calorímetro, en Kcal/Kg

hg3 = entalpía de vapor recalentado entrando en la camisa, en Kcal/Kg

X = calidad de vapor, en porcentaje

1.2.3. Calorímetro Eléctrico deRecalentamiento

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Éste consiste esencialmente de una vasija cilíndrica B, figura, 1.6, que contiene una serie de resistencias enrolladas a su alrededor, de alambre de plata para calentar el vapor por medio de la corriente eléctrica que pasa a través de ellos. Éstas bobinas son conectadas a los terminales eléctricos mostrados en la figura, y son soportados por una vasija cilíndrica de aislante, en la cual hay un gran número de agujeros de ¼ de pulgada a través de los cuales las bobinas pasan hacia arriba y hacia abajo. El vapor entra por el fondo de la vasija, A, y pasando hacia arriba a través de la bobina caliente, el agua contenida en el vapor es evaporada; el vapor pasa hacia arriba a través de una casilla perforada, con revestimiento de cobre, y sale por el tubo de descarga. Una parte de éste último tubo es de vidrio para poder observar las características del vapor. Un termómetro es insertado en T para observar la temperatura después del recalentamiento.

Las desventajas de éste tipo de calorímetros son:

a) Dificultad para su manejo

b) Costoso, si el potenciómetro es incluido en el costo.

c) Posibilidad de obtener lecturas de recalentamiento sin haber sido posible obtener vapor completamente seco.

Aunque éste calorímetro es usado para vapor de alta calidad como también para baja calidad, no es usado con frecuencia, probablemente a causa de que el calorímetro de estrangulación es preferido en razón de su mayor simplicidad en su construcción y operación, respecto a éste calorímetro eléctrico, y porque muy a menudo una fuente de corriente eléctrica no es adecuada cuando se va a efectuar la prueba.

La ASME establece que éste método de continuidad eléctrica para la determinación de la humedad contenida en el vapor, es

basado en la premisa que la conductividad eléctrica del agua es cero, pero realmente la conductividad de una muestra de vapor varía directamente con la cantidad total de sólidos presentes en la muestra de vapor que ha sido probada.

Figura 6. Calorímetro Eléctrico de Recalentamiento

1.2.4.Calorímetro Universal: Calorímetro

Combinado de Separación y Estrangulación

Los calorímetros descritos anteriormente sirven para medir la humedad del vapor cuando la presión manométrica es mayor a 25 PSI, para presiones menores, particularmente alrededor de la atmosférica, los experimentos han demostrado que su grado de exactitud no es muy bueno; por

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ésta razón, para determinar la humedad de un vapor a baja presión, se utiliza un calorímetro de estrangulación añadido a la descarga de uno de separación.

Si el calorímetro de separación ha sido cuidadosamente aislado para evitar pérdidas de calor por radiación, y el vapor que sale de éste calorímetro luego de producirse la separación líquido-vapor, es probado otra vez en un calorímetro de estrangulación, es posible la determinación de éste pequeño porcentaje de humedad de éste vapor.

La humedad total de la muestra de vapor se obtiene simplemente sumando la calidad obtenida en el calorímetro de separación, mas la humedad obtenida en el calorímetro de estrangulación; por ésta doble medida de la humedad, es considerado como uno de los más exactos.

Por manejar presiones muy bajas que no son útiles para el objetivo propuesto, no se estudiará a fondo el funcionamiento y los componentes de éste calorímetro universal.

1.3. Calorímetros de Condensación.

Los calorímetros de condensación son en general de dos clases:

a) Uno en el cual la muestra de vapor es recibida por el agua de condensación y el vapor condensado se mezcla directamente con el agua, (calorímetro acumulador).

b) Otro en el cual la muestra de vapor es condensada en un tubo arreglado tal como en una superficie de condensación, y el vapor condensado se mantiene separado del agua de condensación, (calorímetro condensador)

1.3.1. Calorímetro Acumulador

Utiliza un método bastante sencillo para determinar la calidad de un vapor, como se describe a continuación:

Se introduce una muestra de vapor en el depósito que contiene una masa conocida m1

a una temperatura conocida T1, una vez alcanzado el equilibrio, la masa del agua del calorímetro será m2 a una temperatura T2. Por lo anterior, se trata de un proceso con circulación no estacionario (variable), puesto que existe una corriente de entrada, pero no de salida y despreciando pérdidas y variaciones de energía cinética y energía potencial, tendremos:

H entrante=∆U del dispositivo (6)

Siendo:

m1= masa del agua de condensación.

m2= masa total del agua de condensación y del vapor condensado.

T1= temperatura del agua de condensación

(fría)

T2= temperatura correspondiente a m2

(caliente)

hf y hfg= entalpía de líquido y entalpía de

evaporación correspondientes a la presión

del vapor a la entrada del calorímetro

C= calor específico

X= calidad de vapor buscado

La masa de vapor que ha entrado al aparato

será igual al incremento de masa en el

depósito (m2–m1).

Por lo tanto:

(m2−m1 ) ∙ (hf−X ∙hfg )=(m2 ∙ T 2−m1 ∙ T1)∙C (7)

X=(m2 ∙T 2−m1 ∙T 1 )∙C−(m2−m1)hf

(m2−m1)hfg (8)

Figura 7. Calorímetro Acumulador

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1.3.2. Calorímetro Condensador

En éste calorímetro se hace pasar la muestra de vapor en un tubo serpentín sumergido en un baño de agua, como se muestra en la Figura 8.

Se recoge el condensado que sale del serpentín y se mide su masa ms. Suponiendo que la masa total del agua del baño mw ha sufrido un aumento de temperatura del condensado; se tiene, que aplicando la ecuación de la energía para un proceso con circulación y estacionario:

Q=h2−h1 (9)

mw ∙∆T=ms ∙ [ (T c−32 ) ∙C−hf 1+X 1 ∙ hfg 1 ] (10)

Siendo:

mw =masa del agua de condensación

ms = masa del vapor condensado

ΔT = incremento de la temperatura del agua de condensación

hf y hfg= entalpía de líquido y entalpía de evaporación correspondientes a la presión del vapor a la entrada del calorímetro

C= calor específico

X1= calidad de vapor buscado

Despejando X1 de la ecuación anterior, se obtiene:

X1=mw ∙∆T−ms ∙ [(T c−32 ) ∙C−hf 1]

ms ∙ h fg1 ❑ (11)

Para éste calorímetro, al igual que en los anteriores, se ha despreciado todas las pérdidas posibles.

Figura 8.Calorímetro Condensador

Figura 9. Mapa Conceptual: Tipos de Calorímetros

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BIBLIOGRAFÍA1. LIZARAZO B., Jorge E., “Diseño y

construcción de un calorímetro combinado de separación y estrangulación”. Proyecto de grado. UIS. Bucaramanga 1977.

2. FAIRES, Virgil M., Termodinámica. UTEHA. México 1982.

3. MORSE, Frederick, Elements of Applied Energy, Van Nostrand Company, New York, 1947.

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Tipos de Calorímetros

Calorímetros de Medición Directa

Calorímetro de Separación

Calorímetros de Recalentamiento

Calorímetro de Estrangulación

Calorímetro Crosby de dos Presiones

Calorímetro Externo de

Recalentamiento

Calorímetro Eléctrico de

Recalentamiento

Calorímetro Universal

Calorímetro Combinado de

Separación-Estrangulación

Calorímetros de Condensación

Calorímetro Acumulador

Calorímetro Condensador

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