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Mecanica de fluidos - la presión de vapor



MECANICA DE FLUIDOS

LA PRESIÓN DE VAPOR

Es la presión a la que a cada temperatura la fase líquida y vapor se encuentran en equilibrio dinamico; su valor es independiente de las cantidades de líquido y vapor presentes mientras existan ambas. En la situación de equilibrio, las fases reciben la denominación de líquido saturado y vapor saturado. Esta propiedad posee una relación inversamente proporcional con las Fuerzas de Atracción Intermoleculares, debido a que cuanto mayor sea el módulo de las mismas, mayor debera ser la cantidad de energía entregada (ya sea en forma de calor u otra manifestación) para vencerlas y producir el cambio de estado.

La presión de vapor es la presión de un sistema cuando el sólido o liquido se hallan en equilibrio con su vapor.Los vapores y los gases, tienden a ocupar el mayor volumen posible y ejercen así sobre las paredes de los recintos que los contienen, una presión también llamada, fuerza elastica o tensión. Para determinar un valor sobre esta presión se divide la fuerza total por la superficie en contacto.



Inicialmente sólo se produce la evaporación ya que no hay vapor; sin embargo a medida que la cantidad de vapor aumenta y por tanto la presión en el interior de la ampolla, se va incrementando también la velocidad de condensación, hasta que transcurrido un cierto tiempo ambasvelocidades se igualan. Llegados a este punto se habra alcanzado la presión maxima posible en la ampolla (presión de vapor o de saturación) que no podra superarse salvo que se incremente la temperatura.

El equilibrio dinamico se alcanzara mas rapidamente cuanta mayor sea la superficie de contacto entre el líquido y el vapor, pues así se favorece la evaporación del líquido; del mismo modo que un charco de agua extenso pero de poca profundidad se seca mas rapido que uno mas pequeño pero de mayor profundidad que contenga igual cantidad de agua. Sin embargo, el equilibrio se alcanza en ambos casos para igual presión.

El factor mas importante que determina el valor de la presión de saturación es la propia naturaleza del líquido, encontrandose que en general entre líquidos de naturaleza similar, la presión de vapor a una temperatura dada es tanto menor cuanto mayor es el peso molecular del líquido.

Tipo de uso de la presión de vapor

Para mirar un ejemplo de presión de vapor aplicada a tuberías es bueno analizar un poco las plantas productoras de petroquímicos y refinerías, ya que estas requieren de muchos servicios como: vapor de agua (enfriamiento, servicio, proceso), aire de instrumentos, energía eléctrica; para ello estas plantas necesitan grandes sistemas de transformación de energía, y redes de distribución devarios kilómetros, en las cuales se incurre en perdidas de energía. Para lo que es necesario usar expresiones matematicas para calcular dichas perdidas y llevar a cabo estudios sobre la recuperación de la inversión y la rentabilidad de acciones de ahorro de energía.



Se debe realizar un pequeño analisis de los sistemas de generación y distribución de vapor, principalmente de aquellos que por ser de gran tamaño son muy dinamicos cambiando sus condiciones de operación; flujo, temperatura y presión varias veces al día. Los cambios pueden ser ocasionados por modificación en las condiciones de operación de las plantas de proceso de mantenimiento predictivo o correctivo de los equipos generadores y consumidores de vapor y energía eléctrica, o por cambio de las condiciones atmosféricas. Estos cambios nos proporcionan areas de oportunidad de ahorro si se mantiene un analisis constante del sistema de generación y distribución de vapor.

En la generación del vapor vemos como las plantas que lo generan, estan formadas por dos o tres niveles de presión, los cuales son distribuidos según su uso o según la magnitud de la presión del vapor, de esta forma: para los bloques de generación eléctrica, turbinas para accionar bombas y compresores de plantas de procesos se usa el vapor de mayor presión; para turbogeneradores eléctricos ygrandes turbocompresores, se usa por lo general extracciones de vapor media; las turbinas de menor capacidad normalmente descargan a la red de baja presión.

El control de la presión y la temperatura en las redes de distribución de vapor es sumamente importante, ya que excesos de estas presiones pueden causar un desgaste mas acelerado de la tubería y aparte de esto se pueden generar muchas perdidas de energía, lo cual no es conveniente para un proceso en el cual se esta tratando de aprovechar la energía al maximo.

Para controlar estos excesos o simplemente variantes de las presiones y temperaturas adecuadas se tienen controles de los generadores de vapor los cuales mantienen estos factores en los valores ajustados, esta regulación también se lleva a cabo durante todo el proceso ya que en las redes de media y baja presión, también se cuenta con reguladores de presión y temperatura en turbinas y otros aparatos que intervienen en el este.

Ya con estos reguladores en el procesos, se puede decir que cuando las condiciones de presión y temperatura del vapor que llegan a los equipos varían. La demanda de vapor se ajustara dependiendo de la entalpía y otras características del vapor y del salto entalpico disponible, en el caso de las turbinas.

Para mantener el control en los sistemas de distribución de vapor, es necesariollevar una buena administración y una constante revisión de toda la red, a su ves mediante los dato recolectado durante las revisiones periódicas es necesario estar calculando las perdidas de energía ya que estas afecten directamente la eficiencia del proceso, por ultimo es necesario determinar los puntos de ajuste adecuados para la red.

Relación entre el punto de ebullición de los líquidos

Como una tendencia general, la presión de vapor de los líquidos a presión atmosférica se incrementa con respecto al decrecimiento en el punto de ebullición. Este fenómeno es ilustrado en el diagrama que se puede observar adjunto, en el cual se muestra el comportamiento de la presión de vapor versus la temperatura de varios líquidos. Por ejemplo, a cualquier temperatura, el propano tiene la mas alta presión de vapor de todos los líquidos expuestos en el grafico. También cuenta con el punto de ebullición mas bajo (-41 ºC), donde la curva de presión de vapor del propano (línea púrpura) interseca a la línea horizontal equivalente a 1 atmósfera.
Aunque la relación entre la presión de vapor y la temperatura no es lineal, el grafico usa un eje logarítmico vertical para obtener una línea poco curva y así se puede representar en un solo grafico varios presiones de líquido.
TENSION SUPERFICIAL


La tensión superficial de un líquido a lacantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de area. E[sta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este efecto permite a algunos insectos, como el zapatero , desplazarse por la superficie del agua sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido.
Otra posible definición de tensión superficial: es la fuerza que actúa tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie.
A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula esta sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido. Rigurosamente, si en el exterior del líquido se tiene un gas, existira una mínima fuerzaatractiva hacia el exterior, aunque en la realidad esta fuerza es despreciable debido a la gran diferencia de densidades entre el líquido y el gas.
Otra manera de verlo es que una molécula en contacto con su vecina esta en un estado menor de energía que si no estuviera en contacto con dicha vecina. Las moléculas interiores tienen todas las moléculas vecinas que podrían tener, pero las partículas del contorno tienen menos partículas vecinas que las interiores y por eso tienen un estado mas alto de energía. Para el líquido, el disminuir su estado energético, es minimizar el número de partículas en su superficie 2] Energéticamente, las moléculas situadas en la superficie tiene una mayor energía promedio que las situadas en el interior, por lo tanto la tendencia del sistema sera disminuir la energía total, y ello se logra disminuyendo el número de moléculas situadas en la superficie, de ahí la reducción de area hasta el mínimo posible.
Como resultado de minimizar la superficie, esta asumira la forma mas suave que pueda ya que esta probado matematicamente que las superficies minimizan el area por la ecuación de Euler-Lagrange. De esta forma el líquido intentara reducir cualquier curvatura en su superficie para disminuir su estado de energía de la misma forma que una pelota cae al suelo para disminuir su potencial gravitacional.





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