INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
ESTUDIO EXPERIMENTAL DE DENSIDAD Y TENSIÓN SUPERFICIAL EN
REFRIGERANTES R-22, R-124 Y BUTANO Y SUS MEZCLAS
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE M A E S T R O E N C I E N C I A S
EN INGENIERÍA MECÁNICA, OPCIÓN ENERGÉTICA
P R E S E N T A:
ING. RAÚL ROMÁN AGUILAR
DIRECTOR DE TESIS:
EXTERNO INTERNO DR. ARTURO TREJO RODRÍGUEZ DRA. RITA AGUILAR OSORIO
INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
MÉXICO, DF. DICIEMBRE 2006
AGRADECIMIENTOS
A las instituciones
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO
CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA (CONACYT) SISTEMA NACIONAL DE INVESTIGADORES (SNI)
A los miembros del jurado DR. ARTURO TREJO RODRÍGUEZ DRA. RITA AGUILAR OSORIO DR. JOSÉ ÁNGEL LODEGARIO ORTEGA HERRERA DR. JACINTO AGUILA HERNÁNDEZ DR. MANUEL VITE TORRES DR. EDUARDO OLIVA LÓPEZ A los doctores ARTURO TREJO R. RITA AGUILAR O. Por darme la oportunidad de integrarme a su grupo de trabajo. A dios nuestro señor Por haberme permitido llegar a esta etapa de mi vida y alcanzar este objetivo. A mi esposa ANA MARIA HERNÁNDEZ R. Por el apoyo recibido y el amor que nos une. Gracias por compartir tu vida conmigo. A mis padres † TOMAS ROMAN B. Y DOLORES AGUILAR S. Por su apoyo incondicional y el amor que siempre he recibido, elementos que hicieron posible alcanzar este objetivo. La vida y la persona que ahora soy se lo debo a ustedes. Siempre estarán en mi corazón.
A mis hermanos y su familia † SERGIO R. † LUÍS R. JORGE R. ESTEBAN R. RUFINO R. SILVIA R. GUILLERMO R. TOMAS R. LETICIA R. Por formar parte de mi vida y el cariño que nos une. A la familia Hernández Romero AYAX HERNÁNDEZ Y ANA M. ROMERO JOSÉ A. H. Y FAM. AYAX J. H. Y FAM. MARIA DEL SOCORRO H. MARTHA ELENA H. ANA CONSTANZA H. Por su amistad en todo momento. A todos los compañeros del área de investigación en Termofísica del Instituto Mexicano del Petróleo ARTURO TREJO, JACINTO AGUILA, BLANCA E. GARCÍA, MARIA E. REBOLLEDO, MARCO A. ÁVILA, ASCENSIÓN ROMERO, RAFAEL EUSTAQUIO, APOLINAR JIMÉNEZ, † RAÚL BOCANEGRA, JOEL REZA, FRANCISCO TREJO, LEONOR, JOAQUÍN. A los compañeros de escuela EDUARDO NÚÑEZ, OSCAR MORALES, GERMAN RODRÍGUEZ, ARMANDO ÁVILA HIRAM MARTÍNEZ, EDUARDO MÁRQUEZ, JOEL GARCÍA, SUSANA DÍAZ RAFAEL GONZÁLEZ, YAIR MALAGON, JAVIER CÁRDENAS.
JUSTIFICACIÓN
El estudio de nuevas alternativas de sustancias que actúan como refrigerantes, para
diferentes sistemas de refrigeración, es un tema de gran importancia científica,
tecnológica y ambiental que atañe al mundo entero, ya que muchos de los refrigerantes
actuales son unos de los principales contaminantes ambientales. Países tales como
Estados Unidos, China, Japón, etc., desde hace varios años han estado incursionando en
esta área, ya que son los que tienen los más graves problemas de contaminación,
mientras que en México, no se ha dado el interés suficiente a esta área, y que también es
uno de los países con mayor número de habitantes y que tiene grandes problemas de
contaminación. El estudio de nuevas sustancias como alternativas de refrigerantes hoy
en día, es uno de los temas de mayor relevancia a nivel mundial, ya que este tipo de
sustancias trae consigo, el problema del agrietamiento de la capa de ozono y el
calentamiento global de la tierra, los cuales crean problemas de salud en las personas,
como es el cáncer en la piel, en el primer caso y una inestabilidad en los cambios
climáticos que provocan todo tipo de desastres naturales en el ultimo caso. Es por esta
razón que en esta tesis se propone llevar a cabo el estudio de las propiedades
termofísicas, densidad y tensión superficial, de mezcla de substancias que son
consideradas como alternativas para emplearse en diferentes sistemas de refrigeración,
debido principalmente a que no poseen el potencial para agotar la capa de ozono
(ODP= Ozone Depletion Potential) de nuestro planeta y actualmente es de gran
importancia mundial también considerar como un reto que su potencial de
calentamiento sea bajo (GWP= Global Warming Potential). Tomando en cuenta los
problemas que acarrean este tipo de sustancias y la relevancia de su estudio a nivel
mundial, es que la sección de estudios de posgrado e investigación (SEPI) del Instituto
Politécnico Nacional (IPN) y el departamento de Termofísica del Instituto Mexicano del
Petróleo (IMP) han iniciado este tipo de investigación con el proyecto de esta tesis,
incitando así a otras personas a que se interesen en este tipo de estudios y llevando a
México a competir con los demás países, en uno de los diferentes campos de
investigación, ayudando así a resolver uno de los grandes problemas de este planeta.
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CONTENIDO
PÁGINA
ÍNDICE DE TABLAS i
ÍNDICE DE FIGURAS iii
RESUMEN x
ABSTRACT xi
NOMENCLATURA xii
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN
1.1 Refrigeración y sus campos de estudio 2
1.2 Importancia de estudiar nuevos refrigerantes 8
1.2.1 Problemas ambientales y en el ser humano debido a la reducción de
la capa de ozono 10
1.2.2 Combate de los clorofluorocarbonos (CFC) y restricciones de los
hidroclorofluorocarbonos (HCFC) a nivel mundial 12
1.2.3 Nuevos refrigerantes 16
1.3 Objetivos 19
1.3.1 Objetivo general
1.3.2 Objetivos particulares
CAPÍTULO II: ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO DE ESTUDIOS REALIZADOS
EN PROPIEDADES TERMOFÍSICAS DE REFRIGERANTES
2.1 Propiedades de interés y países interesados en esta área 22
2.2 Estudios de densidad en refrigerantes 23
2.3 Estudios de tensión superficial en refrigerantes 27
RAÚL ROMÁN AGUILAR
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PÁGINA
2.4 Estudios de puntos críticos en refrigerantes 29
2.5 Estudios de capacidad calorífica en refrigerantes 30
2.6 Otros estudios relacionados con refrigerantes 31
CAPÍTULO III. TRABAJO EXPERIMENTAL
3.1 Preparación de las mezclas binarias butano + R-124 y butano + R-22, con el método de pesada
3.1.1 Descripción del equipo para preparar las mezclas binarias butano + R-124 y
butano + R-22, con el método de pesada 42
3.1.2 Procedimiento experimental para la preparación de las mezclas 46
3.2 Obtención experimental de la densidad en mezclas de R-22, R-124 y butano, utilizando
el método de tubo vibrante
3.2.1 Descripción del equipo utilizado en las pruebas preliminares 49
3.2.2 Trabajo preliminar utilizando un densímetro Sodev 52
3.2.3 Descripción del equipo para medir la densidad de las mezclas R-22 + butano y
R-124+butano 53
3.2.4 Procedimiento para la obtención de densidad de las sustancias propuestas
en esta investigación, utilizando el densímetro Anton Paar DMA 512
y el método de Lagourette y colaboradores 61
3.3 Obtención experimental de tensión superficial en mezclas de R-22, R-124 y butano,
utilizando el método de gota pendiente
3.3.1 Descripción del equipo de gota pendiente original 67
3.3.2 Trabajo preliminar utilizando el equipo comercial
Marca FirsTenAngstroms 69
3.3.3 Modificaciones del equipo de tensión superficial que utiliza el método de gota
pendiente a presión atmosférica, para medir la tensión superficial de las
sustancias propuestas en esta tesis y a presiones de (0.5 a 2.5) MPa 70
3.3.4 Procedimiento para la obtención de tensión superficial de las sustancias
propuestas en esta tesis 80
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CAPÍTULO IV: RESULTADOS EXPERIMENTALES Y ANÁLISIS
4.1 Resultados obtenidos y su análisis
4.1.1 Resultados de las mezclas realizadas y su análisis 90
4.1.2 Resultados experimentales obtenidos en densidad y su análisis 92
4.1.3 Resultados experimentales obtenidos en tensión superficial
y su análisis 109
CONCLUSIONES 119 RECOMENDACIONES 121 BIBLIOGRAFÍA 122 APÉNDICES 128
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ÍNDICE DE TABLAS
TABLA DESCRIPCIÓN PÁGINA
2.1 Resumen del análisis bibliográfico 36
2.2 Refrigerantes propuestos como alternativas para los sistemas de refrigeración
39
3.1 Períodos (τ /ciclos·segundo-1) del tubo vibrante en condiciones de vacío a diferentes temperaturas, medidos con el densímetro Anton Paar
65
3.2 Medición de períodos (τ /ciclos·segundo-1) del tubo vibrante con agua a diferentes presiones y temperaturas, medidos con el densímetro Anton Paar
65
4.1 Concentraciones elaboradas en este trabajo, por el método de pesada de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124
90
4.2 Concentraciones elaboradas en este trabajo por el método de pesada de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22
91
4.3 Resultados experimentales de densidad, ρ/kg·m-3, obtenidos en este trabajo, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124 a diferentes temperaturas T y presiones p
92
4.4 Resultados experimentales de densidad ρ/kg·m-3, obtenidos en este trabajo, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22 a diferentes temperaturas T y presiones p
101
4.5 Resultados experimentales de tensión superficial de equilibrio γ/mN·m-1, obtenidos en este trabajo, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22 a diferentes temperaturas T y presiones p
109
4.6 Resultados experimentales de tensión superficial de equilibrio γ/mN·m-1, obtenidos en este trabajo, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22 a diferentes temperaturas T y presiones p
114
A.1 Resultados de la calibración del sensor de 1000 lb/in2, utilizado en la determinación de la densidad
129
A.2 Resultados de la calibración del sensor de 500 lb/in2, utilizado en la determinación de la densidad
130
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i
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TABLA DESCRIPCIÓN PÁGINA
A.3 Resultados de la calibración del sensor de 150 lb/in2, utilizado en la elaboración de las mezclas
131
B.1 Resultados de la calibración del sensor, utilizado en la determinación de la densidad
132
B.2 Resultados de la calibración del sensor, utilizado en la determinación de la densidad
133
D.1 Densidad del C10 H22 a 298.15 K
136
D.2 Densidad del C12H26 a 313.15 K
136
F.1 Clasificación de agujas para formar gotas pendientes
140
G.1 Tensión superficial de equilibrio del agua, en función de la temperatura
141
G.2 Error relativo (E) de tensión superficial de equilibrio del agua, en función de la temperatura, entre este trabajo y los reportados por otros autores
141
G.3 Tensión superficial de equilibrio de MDEA, en función de la temperatura
142
G.4 Error relativo de tensión superficial de equilibrio de MDEA, en función de la temperatura
142
H.1 Periodos obtenidos en este trabajo, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124 a diferentes temperaturas T y presiones p.
144
H.2 Periodos obtenidos en este trabajo, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22 a diferentes temperaturas T y presiones p.
145
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ÍNDICE DE FIGURAS
FIGURA DESCRIPCIÓN PÁGINA
1.1 Componentes básicos de un sistema de refrigeración por compresión
3
1.2 Esquema y diagrama temperatura – entropía (T-S) para el ciclo de refrigeración por compresión de vapor
4
1.3 Proceso de destrucción del Ozono a partir de la reacción de las moléculas de CFC con los rayos ultravioleta
13
1.4 Efecto invernadero y calentamiento global
15
1.5 Guía general de reemplazo de refrigerantes, proporcionado por la empresa Dupont
16
3.1 Equipo para realizar mezclas de sustancias altamente volátiles
43
3.2 Balanza electrónica para realizar la pesada de sustancias
45
3.3 Tubo vibrante
49
3.4 Densímetro marca Sodev y sus dispositivos para determinar la densidad en función de temperatura
51
3.5 Densímetro Anton Paar modelo DMA 512 para determinar la densidad a altas presiones y temperaturas, mediante el método de tubo vibrante
55
3.6 Diagrama esquemático del densímetro DMA 512 con los dispositivos necesarios para determinar la densidad a altas presiones y temperaturas
56
3.7 Equipo para medir densidad de sustancias a altas presiones y temperaturas utilizando el densímetro Anton Paar DMA 512
59
3.8 Diagrama esquemático del densímetro DMA 512
61
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iii
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FIGURA DESCRIPCIÓN PÁGINA
3.9 Diagrama de flujo para representar el proceso de obtención de densidad de las sustancias propuestas en esta tesis
64
3.10 Dimensiones de una gota bajo condiciones de equilibrio
66
3.11 Equipo para medir tensión superficial dinámica y estática a condiciones de presión atmosférica
67
3.12 Primera versión del equipo de tensión superficial construido en esta investigación
71
3.13 Equipo de alta presión para medir tensión superficial en la fase inicial de construcción
74
3.14 Segunda versión del equipo de tensión superficial
75
3.15 Baño térmico de líquido: (a) parte de acrílico (b) parte recirculadora, controladora de temperatura
77
3.16 Gota de R-22 pendiendo de un capilar de 1.5 mm de diámetro exterior, la cual no es reconocida por el software de tensión superficial
78
3.17 Equipo para medir tensión superficial de sustancias altamente volátiles
79
3.18 Gota procesada por el software para obtener la tensión superficial
83
3.19 Desarrollo de una gota en la fase de su máxima deformación antes de caer
84
3.20 Resultados de tensión superficial proporcionados por el software
85
3.21 Grafica de resultados de tensión superficial, después de ser procesada la imagen
85
3.22 Diagrama de flujo para obtener la tensión superficial de las sustancias propuestas en esta tesis
88
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FIGURA DESCRIPCIÓN PÁGINA
4.1 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a una concentración x1 de 0.364, como función de la temperatura T y presión: ×) 0.5 MPa; +) 1 MPa; ∆) 1.5 MPa; □) 2 MPa y ) 2.5 MPa.
94
4.2 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a una concentración x1 de 0.512, como función de la temperatura T y presión: ×) 0.5 MPa; +) 1 MPa; ∆) 1.5 MPa; □) 2 MPa y ) 2.5 MPa.
95
4.3 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a una concentración x1 de 0.771, como función de la temperatura T y presión: ×) 0.5 MPa; +) 1 MPa; ∆) 1.5 MPa; □) 2 MPa y ) 2.5 MPa.
95
4.4 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a una concentración x1 de 0.364, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15 K
96
4.5 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a una concentración x1 de 0.512, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15 K
97
4.6 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a una concentración x1 de 0.771, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15 K
97
4.7 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 0.5 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K
98
4.8 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 1 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
99
4.9 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 1.5 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
99
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FIGURA DESCRIPCIÓN PÁGINA
4.10 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 2 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
100
4.11 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 2.5 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
100
4.12 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.236, como función de la temperatura T y presión: +) 1 MPa; ∆) 1.5 MPa; □) 2 MPa y ) 2.5 MPa.
102
4.13 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.506, como función de la temperatura T y presión: +) 1 MPa; ∆) 1.5 MPa; □) 2 MPa y ) 2.5 MPa.
103
4.14 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.691, como función de la temperatura T y presión: +) 1 MPa; ∆) 1.5 MPa; □) 2 MPa y ) 2.5 MPa.
103
4.15 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.236, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15 K
104
4.16 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.506, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15 K
105
4.17 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.691, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15 K
105
4.18 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 1 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K y □) 293.15 K
106
4.19 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 1.5 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K y ∆) 303.15 K
107
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FIGURA DESCRIPCIÓN PÁGINA
4.20 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 2 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
107
4.21 Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 2.5 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
108
4.22 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124 a una concentración x1 de 0.364, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K y ■) 293.15 K
110
4.23 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124 a una concentración x1 de 0.512, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K y ●) 313.15 K
110
4.24 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124 a una concentración x1 de 0.771, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15
111
4.25 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función de x1 , medidas a una presión de 0.5 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K y □) 293.15 K.
112
4.26 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función de x1 , medidas a una presión de 1 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
112
4.27 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función de x1 , medidas a una presión de 1.5 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K y ×) 313.15 K
113
4.28 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función de x1 , medidas a una presión de 2 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K y ×) 313.15 K
113
RAÚL ROMÁN AGUILAR
vii
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FIGURA DESCRIPCIÓN PÁGINA
4.29 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.236, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K y ●) 313.15 K
115
4.30 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.506, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15
115
4.31 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.691, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15
116
4.32 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 1 MPa y temperatura: ◊) 283.15 K y □) 293.15 K.
117
4.33 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 1.5 MPa y temperatura: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K y ∆) 303.15 K
117
4.34 Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 2 MPa y temperatura: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
118
A.1 Curva de calibración del sensor de 1000 lb/in2 utilizado en la determinación de densidad
129
A.2 Curva de calibración del sensor de 500 lb/in2 utilizado en la determinación de tensión superficial
130
A.3 Curva de calibración del sensor de 150 lb/in2 utilizado en al determinación de tensión superficial
131
B.1 Curva de calibración del sensor de temperatura utilizado en al determinación de densidad
132
RAÚL ROMÁN AGUILAR
viii
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
FIGURA DESCRIPCIÓN PÁGINA
B.2 Curva de calibración del sensor de temperatura utilizado en al determinación de tensión superficial
133
E.1 Sistema de dos fases denotando la zona de interfase
137
E.2 Sistema de dos fases: a) sistema con una interfase curva b) sección hipotética de una interfase curva
138
G.1 Tensión Superficial del agua en función de temperatura
143
G.2 Tensión Superficial de MDEA en función de temperatura
143
RAÚL ROMÁN AGUILAR
ix
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RESUMEN
En este trabajo se realizó un estudio experimental para determinar la densidad en fase
líquida y tensión superficial de equilibrio líquido-vapor de las mezclas binarias butano+R-
124 y butano+R-22, en tres distintas concentraciones cada una, sobre un intervalo de
temperatura de (283.15 a 323.15) K y presión de (0.5 a 2.5) MPa, obteniendo un total de
110 valores de densidad y 61 valores en tensión superficial.
Para realizar el estudio experimental de densidad y tensión superficial, se utilizó un
densímetro digital de tubo vibrante para altas presiones y un equipo computarizado de
tensión superficial que emplea el método de gota pendiente, respectivamente. Debido a la
elevada presión de vapor a temperatura ambiente de las sustancias estudiadas fue necesario
realizar en este trabajo importantes adaptaciones a los dos dispositivos experimentales para
obtener resultados a altas presiones.
La preparación de cada una de las mezclas binarias de concentración conocida se llevó a
cabo con el método de pesada, para lo cual se empleo una balanza analítica, obteniéndose
una incertidumbre de 7 x 10-4 g·mol-1.
Los resultados de densidad de las mezclas estudiadas se obtuvieron con una incertidumbre
de 1.5 x 10-5 g·cm-3, realizando previamente la calibración del equipo con el método de
Lagourette y colaboradores, el cual requiere únicamente de agua y condiciones de vacío,
como elementos de referencia para poder determinar la densidad, a partir de los períodos de
vibración que entrega el densímetro.
Los resultados de tensión superficial líquido-vapor se obtuvieron en condiciones de
equilibrio y con una incertidumbre de 0.06 mN·m-1, tomándose como sustancia de
referencia al isobutano para calibrar previamente el equipo.
Los resultados experimentales de las dos propiedades termofísicas estudiadas serán de gran
utilidad para la caracterización de las mezclas binarias de butano+R-124 y butano+R-22, lo
que permitirá considerar a esas mezclas como una alternativa para su uso en sistemas de
refrigeración por compresión de vapor.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
x
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ABSTRACT
In this work it was carried out an experimental study on the liquid density and equilibrium
liquid-vapour surface tension for mixtures of known concentration of butane+R-124 and
butane+R-22. Each binary system was studied at three different concentrations over the
temperature range (283.15 to 323.15) K and over the pressures range (0.5 to 2.5) MPa,
obtaining 110 experimental points for density and 61 experimental points for surface
tension.
The experimental work was carried out using a high-pressure digital vibrating tube
densimeter, to determine the values of density and a computer-controlled surface tension
apparatus, which uses the pendant drop method to determine the values of equilibrium
surface tension. Due to the high volatility of the substances studied here, both devices were
modified in this work in order to perform the experimental measurements under high
pressure values.
The binary mixtures of known concentration were gravimetrically prepared, so that the
mole fraction uncertainty was determined to be 7 x 10-4 g·mol-1.
The results of density were obtained with an uncertainty of 1x 10-5 g·cm-3, carrying out the
equipment calibration with the Lagourette et al. method, which requires only water and
vacuum conditions, as reference parameters to determine the density, having as direct
experimental results the vibrating periods from the densimeter.
The results of liquid-vapour surface tension were obtained under equilibrium conditions,
with an uncertainty of 0.06 mN·m-1, taking isobutane as reference substance to calibrate the
equipment.
The experimental results obtained in this work will be the basis of a thermophysical
characterization in order to evaluate the application of the binary systems here studied in
refrigeration systems.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
xi
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
NOMENCLATURA
A Área de interfase
A Constante de calibración del densímetro
ASHRAE Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y
Acondicionamiento de Aire
B Constante de calibración del densímetro
CEE Comunidad de Estados Europeos
CENAM Centro Nacional de Metrología
CFC Cloro Fluoro Carbono
d Diferencial
de Diámetro máximo
ds Diámetro ecuatorial
EPA Agencia de Protección del Medio Ambiente
g gravedad
GWP Potencial de calentamiento global (Global Warming Potential)
HCFC Hidroclorofluorocarbonos
HFC Hidrofluorocarbonos
m Masa
MM Masa molecular
ODP Potencial para agotar la capa de ozono (Ozone Depletion Potencial)
p Presión
pc Presión critica
PNUMA Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente
r coeficiente de correlación
R Radio
T Temperatura
Tc Temperatura critica
UV-β Radiación ultravioleta beta
V Volumen
x Concentración de una sustancia en fracción molar
RAÚL ROMÁN AGUILAR
xii
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Letras griegas
α Región de Vapor
β Región líquida
∂ Derivada parcial
ρ Densidad
ρ c Densidad critica
ρw Densidad del agua
γ Tensión Superficial de equilibrio
τ Período de vibración
τv Período de vibración en condiciones de vacío
τw Período de vibración trabajando con agua
σ Desviación estándar
RAÚL ROMÁN AGUILAR
xiii
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
C a p í t u l o
I
RAÚL ROMÁN AGUILAR
1
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN
1.1 Refrigeración y sus campos de estudio
La refrigeración tiene una importante relación con la mayoría de los sectores que
conforman la vida del ser humano, como lo son el sector alimenticio, para la preservación
de alimentos; el sector farmacéutico, para lograr integrar medicamentos; el
acondicionamiento de espacios, para el confort de las personas; el sector transportista, para
la preservación de productos durante el traslado de los mismos y el sector industrial en
general, para controlar una gran cantidad de procesos. En la industria del petróleo las
aplicaciones también son varias e importantes, de entre las que podemos mencionar la
purificación de aceites lubricantes, reacciones a baja temperatura, separación de
hidrocarburos volátiles y otro proceso afín es la licuefacción de gases, el cual tiene también
importantes aplicaciones industriales [1].
Cada uno de los avances que ha tenido la refrigeración, son el resultado de un trabajo en
conjunto, en el que ingenieros, técnicos, personal relacionado y científicos, han aportado
sus habilidades y conocimientos, para diseñar, fabricar, instalar y mantener los equipos en
condiciones óptimas de funcionamiento, sin pasar por alto que las bases sobre la cual se
construyen nuevos materiales y sustancias son proporcionadas por la ciencia.
Tan importante y compleja como pueda ser la gama de aplicaciones de la refrigeración,
todos y cada uno de los distintos sistemas que se emplean, dependen de principios
científicos fundamentales, siendo el sistema de compresión de vapor es el más usado en los
sectores industriales, comerciales y domésticos. Este sistema consta de cuatro componentes
principales y un fluido de trabajo, los cuales se pueden observar en la figura 1.1 [2].
RAÚL ROMÁN AGUILAR
2
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
compresorcompresor
condensadorcondensador
evaporadorevaporador
DispositivoDispositivo de de expansiexpansióónn
LLííneanea de de descargadescarga
LLííneanea de de succisuccióónn
LLííneaneadede
llííquidoquido
Figura 1.1. Componentes básicos de un sistema de refrigeración por compresión.
- El evaporador, va colocado en el interior del espacio a enfriar y su función es absorber
calor dentro del sistema frigorífico, transformando todo el líquido que circula a través de
éste, en vapor, debido al calor que es absorbido por la sustancia refrigerante.
- El compresor, se considera el corazón de un sistema de refrigeración por compresión de
vapor y su función es comprimir el refrigerante evaporado, elevando la presión de éste, para
hacerlo circular a través de todo el sistema.
- El condensador, desecha el calor del sistema frigorífico que ha sido absorbido por el
evaporador y comprimido en el compresor. Éste, recibe el vapor a alta presión y alta
temperatura y a medida que circula a través del mismo, va transfiriendo calor al aire
ambiente que lo rodea, llevando el fluido frigorífico de su fase vapor a su fase líquida.
- El dispositivo de expansión, frena y regula el flujo de refrigerante. También es el punto
que divide al lado de alta y baja presión en el sistema.
- El fluido de trabajo, es una sustancia frigorífica. Ésta, da vida a un sistema de
refrigeración por compresión de vapor y es el motivo de existir de cada uno de los
componentes anteriormente citados. La sustancia frigorífica, es el encargado directo de
absorber el calor de un lugar donde no se desea, para desecharlo en otra donde no afecta.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
3
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
El funcionamiento de un ciclo de refrigeración por compresión de vapor es el siguiente, el
refrigerante entra al compresor en el estado 1 como vapor saturado y se comprime
isoentrópicamente hasta la presión del condensador. Durante el proceso de compresión 1-2,
la temperatura del refrigerante aumenta hasta un valor muy superior a la temperatura del
medio circundante. Después, el refrigerante entra en el condensador como vapor
sobrecalentado en el estado 2 y sale como líquido saturado en el estado 3, como resultado
del rechazo de calor hacia los alrededores. Esto se puede apreciarse mejor en la figura 1.2.
El refrigerante líquido - saturado en el estado 3 se estrangula hasta la presión del
evaporador al pasar por una válvula de expansión o por un tubo capilar. La temperatura del
refrigerante desciende por debajo de la temperatura del espacio a enfriar, durante este
proceso. El refrigerante ingresa al evaporador en el estado 4 como una mezcla (líquido-
vapor) saturada de baja calidad, y se evapora por completo absorbiendo calor del espacio
refrigerado. El refrigerante sale del evaporador como vapor saturado y vuelve a entrar al
compresor, con lo cual completa el ciclo [3].
Figura 1.2. Esquema y diagrama temperatura – entropía (T-S) para el ciclo de refrigeración por compresión de vapor.
3 Válvula de Expansión
4
Evaporador
2 Compresor
Medio CALIENTE
1
Válvula de expansión
TLíquido saturado
2 Condensador Calor desechado
Trabajo Trabajo de
3 entrada
1 4
Calor absorbido
Vapor saturado
S
Espacio refrigerado FRÍO
RAÚL ROMÁN AGUILAR
4
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
Las irreversibilidades inherentes al ciclo de compresión de vapor hacen que el coeficiente
de rendimiento de refrigeradores reales dependa en cierto grado del refrigerante, por lo que
las características como son toxicidad, flamabilidad, costo, propiedades corrosivas y
presión de vapor respecto a la temperatura, resultan de gran importancia en la selección de
un refrigerante; es decir, para que este tipo de sustancias puedan ser usadas, deben ser
químicamente inertes (no inflamable, no tóxico, no explosivo) tanto en estado puro como
mezclado con aire en cierta proporción, no deben reaccionar desfavorablemente con el
aceite lubricante ni con cualquier material utilizado en la construcción del equipo, no debe
reaccionar desfavorablemente con la humedad y no debe contaminar el aire en caso de fuga
[4].
Un fluido frigorífico apropiado, no sólo debe tener un bajo punto de ebullición (que es el
que determina la temperatura en el evaporador) sino también una densidad lo más elevada
posible para que el consumo de energía en el compresor por unidad de masa de fluido que
circula sea lo más bajo posible [5].
Una sustancia frigorífica para los sistemas de refrigeración por compresión de vapor,
demanda varios puntos que deben cumplirse en su mayoría para poder ser utilizados en el
amplio mercado de la industria de la refrigeración, de entre los cuales se pueden mencionar:
1. Presión de ebullición en el evaporador. Es conveniente que la presión de ebullición
en éste, sea mayor que la presión atmosférica para que el equipo no funcione en
vacío, ya que si funcionara así, con cualquier filtración podría entrar aire y
humedad al sistema, lo cual sería muy perjudicial tanto al fluido frigorífico, como al
equipo entero.
2. Temperatura de congelación. La temperatura de congelación del fluido frigorífico
debe ser mucho más baja que la temperatura mínima alcanzada en el sistema, con el
fin de evitar que el fluido se congele y que el quipo sufra cualquier anomalía.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
5
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
3. Temperatura y presión críticas. Es conveniente que el sistema funcione a
temperaturas y presiones muy inferiores a los valores críticos del refrigerante
utilizado, ya que de lo contrario se tendría un gradiente de temperatura muy grande
para poderse realizar el cambio de fase requerido en el sistema, es decir, sería difícil
licuar el fluido refrigerante o en su caso, el condensador requeriría ser de
dimensiones muy grandes.
4. Presión media de operación del equipo. Una presión media tanto en el evaporador
como en el condensador es de gran importancia para evitar que los equipos sean
muy robustos y por lo tanto reducir los costos de fabricación y consumo de energía.
5. Temperatura máxima alcanzada en el compresor. Es conveniente que la temperatura
máxima alcanzada en el compresor sea lo más baja posible, consiguiendo con esto
que el condensador tenga un tamaño pequeño. Por otro lado, las sustancias que
operan en este tipo de sistemas y que tienen temperaturas elevadas a la salida del
compresor, muestran más problemas de formación de lodos y separación del aceite
lubricante.
6. Miscibilidad de las sustancias frigoríficas con el aceite lubricante del compresor.
Las sustancias frigoríficas deben mezclarse con el aceite lubricante, para que el
aceite pueda ser llevado por todo el sistema hacia el compresor y se efectúe una
adecuada lubricación del mismo, particularmente en los equipos que usan
compresores reciprocantes.
7. Viscosidad baja. Una viscosidad elevada produce elevadas pérdidas de energía,
debido a la fricción en tuberías y accesorios que a su vez se reflejan en un mayor
trabajo requerido por el compresor.
8. Toxicidad nula. Las sustancias frigoríficas no deben ser tóxicas, con el fin de que
cualquier fuga de éstas al medio exterior no ponga en peligro la salud de los
usuarios.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
6
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
9. Contaminación nula. Se debe evitar en lo mayor posible la contaminación del medio
ambiente, el cual es el punto principal que están atacando los centros de
investigación a nivel mundial, como una medida sugerida por los organismos de
regulación internacional en este ámbito.
10. Conductividad térmica. Es conveniente que este tipo de sustancias tengan un
elevada conductividad térmica, con el fin de que la operación del evaporador sea lo
más eficiente posible.
11. Capacidad de corrosión baja. Cuanto más inerte sea la sustancia de trabajo, menor
será el ataque por corrosión que se produce en las partes críticas de todo el sistema
incluyendo el compresor.
12. Costo bajo. El costo de estas sustancias debe ser bajo para que puedan ser
fácilmente comerciales y evitar elevar los costos tanto iniciales como de
mantenimiento de los equipos.
13. No deben ser explosivos. Evitar que estas sustancias tengan elevados índices de
explosividad, con el fin de evitar accidentes por inflamación de sustancias.
14. Bajo punto de ebullición. Cabe mencionar que un fluido frigorífico apropiado en
los sistemas de refrigeración por compresión, debe tener un bajo punto de
ebullición, el cual determina la temperatura del evaporador, y como consecuencia la
temperatura de la cámara fría.
15. Densidad lo más elevada posible. Un punto característico con que debe contar este
tipo de fluidos, es tener una densidad lo más elevada posible, para que el consumo
de energía en el compresor por unidad de masa de fluido que circula sea lo más baja
posible. Esta propiedad está íntimamente ligada con la masa molecular de la
sustancia, ya que a mayor masa molecular mayor densidad del vapor, de ahí que se
prefieran sustancias más densas.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
7
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
La necesidad de encontrar fluidos frigoríficos que cumplan estas condiciones, y además que
sean menos contaminantes, ha impulsado a los investigadores a experimentar con mezclas
de diferentes sustancias, incluyendo los hidrocarburos, a fin de cumplir con los
requerimientos que exige un refrigerante de alta calidad y baja contaminación.
1.2 Importancia de estudiar nuevos refrigerantes
El estudio de nuevas sustancias que actúan como refrigerantes en los diferentes sistemas de
refrigeración, es un tema de gran importancia científica, tecnológica y ambiental que atañe
al mundo entero. Haciendo hincapié en este último punto, la mayoría de sustancias
utilizadas actualmente son responsables directas de un gran número de problemas
medioambientales que se han vivido en los últimos años.
Los países como Estados Unidos, China, Japón, etc. desde hace varios años han estado
incursionando en esta área, ya que son los que tienen los más graves problemas de
contaminación, mientras que en México, no se ha dado interés a esta área, no obstante que
es uno de los países con mayor número de habitantes y que también tiene grandes
problemas de contaminación. El estudio de nuevas sustancias como alternativas de
refrigerantes hoy en día, es uno de los temas de mayor relevancia a nivel mundial, ya que
este tipo de sustancias trae consigo, el problema del agrietamiento de la capa de ozono y el
calentamiento global de la tierra, los cuales crean problemas de salud en las personas, como
es el cáncer en la piel, en el primer caso y una inestabilidad en los cambios climáticos que
provocan todo tipo de desastres naturales en el último caso [6].
Entre las principales sustancias utilizadas en los diversos sistemas de refrigeración por
compresión de vapor, se encuentran los clorofluorocarbonos (CFC),
hidroclorofluorocarbonos (HCFC), hidrofluorocarbonos (HFC), hidrocarburos (HC) y el
amoniaco entre otros. Los CFC han sido ampliamente utilizados por varias decenas de años
como aerosoles, propelentes, disolventes y sopladores para espumas poliméricas, pero
principalmente como refrigerantes en los sistemas de refrigeración por compresión de
vapor, debido a sus excelentes propiedades físicas tales como estabilidad, no flamabilidad,
RAÚL ROMÁN AGUILAR
8
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
no toxicidad, entre otras, además de sus excelentes propiedades termofísicas. Sin embargo,
estas sustancias a diferencia de las demás, son las que presentan el mayor efecto perjudicial
sobre la capa de ozono de la atmósfera terrestre, además de que también han contribuido
altamente en el calentamiento global de la tierra, por tal motivo estas sustancias han tenido
que ser reguladas internacionalmente para detener la contaminación tan acelerada que se
está viviendo en el mundo actual, tal es el caso del acuerdo internacional elaborado en
1987, llamado Protocolo de Montreal, en el que se prohíbe la producción de
clorofluorocarbonos (CFC) a partir del 1 de enero de 1995 y en 1999 se congeló la
producción y consumo de esas substancias en los llamados países en desarrollo [7].
Buscar nuevas alternativas de sustancias o mezclas de sustancias, que componen dichos
refrigerantes, es un tema de gran relevancia y uno de sus principales retos es no perder las
propiedades termofísicas que hacen eficiente este tipo de sustancias. Algunos laboratorios
de investigación y desarrollo tecnológico de los centros académicos y de la industria (e.g.
Institutos Nacionales de Refrigeración) de varios países se han visto obligados a buscar
alternativas de substancias que substituyan a los clorofluorocarbonos en los diferentes
sistemas de refrigeración por compresión de vapor (i.e. domésticos, comerciales,
industriales, transporte terrestre, transporte marino y aire acondicionado en general).
Consecuentemente, en la búsqueda de nuevas sustancias es importante comenzar por
investigar sus propiedades termofísicas, las cuales ayudarán a determinar si son
compatibles con las sustancias utilizadas actualmente en los diferentes sistemas de
refrigeración por compresión de vapor.
Es por estas razones que en esta tesis se propone llevar a cabo el estudio de las propiedades
termofísicas densidad y tensión superficial, en substancias que son consideradas como
alternativas para emplearse en diferentes sistemas de refrigeración, debido principalmente
a que no poseen el potencial para agotar la capa de ozono (ODP, Ozone Depletion
Potential) de nuestro planeta y actualmente es de gran importancia mundial también
considerar como un reto, que su potencial de calentamiento sea bajo (GWP, Global
Warming Potential). Tomando en cuenta los problemas que acarrean este tipo de sustancias
y la relevancia de su estudio a nivel mundial, es que la Sección de Estudios de Posgrado e
RAÚL ROMÁN AGUILAR
9
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
Investigación (SEPI) de la Escuela Superior de Ingeniería mecánica y eléctrica (ESIME)
sección Zacatenco del Instituto Politécnico Nacional (IPN) y el área de investigación en
Termofísica del Instituto Mexicano del Petróleo (IMP) han iniciado este tipo de
investigación con el proyecto de esta tesis, incitando así a otras personas e instituciones a
que se interesen en este tipo de estudios y llevar a México a competir con diferentes países
en uno de los vastos campos de la investigación, ayudando así a resolver uno de los grandes
problemas de este planeta.
1.2.1 Problemas ambientales y en el ser humano debido a la reducción de la capa de
ozono
Antes de la década de los 70’s, las empresas productoras, distribuidores de productos,
prestadores de servicios y todos los organismos y personas relacionados con la industria de
la refrigeración y aire acondicionado, consideraban el desarrollo de los refrigerantes, entre
los que se encontraban los CFC, como un éxito y también como sustancias inofensivas y
extremadamente estables en la atmósfera, por lo que era común observar que dejaban
escapar estos gases a la atmósfera al prestar servicio a los equipos, o cuando había que
sustituirlos, por mencionar algunos casos. Ya que hoy en día se tiene conocimiento de
todos los efectos perjudiciales que ocasiona este tipo de sustancias, sobre todo la pérdida de
la capa de ozono estratosférica, que en gran parte le debemos este descubrimiento a Mario
Molina (premio Nóbel de Química 1995), se considera una irresponsabilidad continuar con
estas antiguas prácticas y no atender los problemas que acarrea este tipo de sustancias,
principalmente en lo que se refiere a los CFC.
La pérdida de la capa de ozono estratosférica, ocasiona la entrada en mayor nivel de la
radiación ultravioleta beta (UV-β), la cual produce serios daños en los seres vivos, entre los
cuales se encuentran el cáncer de piel (el tipo más común es el denominado melanoma),
conjuntivitis, deterioro del sistema inmunológico y cataratas.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
10
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
El Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) destaca que los
efectos sobre el sistema inmunológico encierran una de las interrogantes de mayor
preocupación y advierte que la exposición a la radiación UV-β podría influenciar
adversamente la inmunidad contra enfermedades infecciosas. Por ejemplo: leishmaniasis y
malaria, e infecciones micóticas como la cándida [8].
La pérdida del fitoplancton, base de la cadena alimentaria marina, ha sido observada como
causa del aumento de la radiación ultravioleta beta y como consecuencia de esto, bajo el
agujero de ozono en la Antártida la productividad del fitoplancton decreció entre el 6 y el
12 por ciento.
PNUMA indica que un 16 por ciento de disminución de ozono podría resultar en un 5 por
ciento de pérdida de fitoplancton, lo cual significaría una pérdida de 7 millones de
toneladas de pescado por año, alrededor del 7 por ciento de la producción pesquera
mundial.
Para algunas especies, un aumento de radiación UV-β implica la formación de cáncer de
piel, lo cual se ha estudiado en cabras, vacas, gatos, perros, ovejas y animales de laboratorio
y probablemente esté señalando que se trata de una característica común a varias especies,
incluyendo las infecciones en bovinos que pueden agravarse con un aumento de la
radiación UV-β [9].
Entre los cultivos en los que se registraron efectos negativos debido a la incidencia de la
radiación UV-β figuran la soya y el arroz [10].
La emisión no controlada de clorofluorocarbonos y otras sustancias como los gases de
escape de motores a combustión interna trae consigo también el problema del
calentamiento global de la tierra, el cual provoca una inestabilidad en los cambios
climáticos que culmina en todo tipo de desastres naturales como tormentas y huracanes que
se han visto recientemente huracán Rita, huracán Wilma, huracán stand, por mencionar los
más devastadores y el deshielo de los glaciares en los polos del planeta, a partir del cual se
generan un gran número de problemas como el aumento en el nivel del mar.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
11
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
Greenpeace-México señaló que el cambio climático no sólo afecta la capacidad mundial de
producción de alimentos, ante el incremento de temperaturas, precipitaciones y fenómenos
naturales extremos que podrían limitar el potencial agroalimentario de muchos países;
''también es evidente su efecto en los ecosistemas, donde plantas y animales podrían verse
dañados" [11].
Arturo Moreno, coordinador de la campaña de Clima y Energía, destacó que diversas
investigaciones confirmaron que factores asociados al cambio climático propiciaron la
reaparición de enfermedades como malaria y dengue en zonas donde ''prácticamente se
había erradicado, es decir, existe un efecto generalizado sobre todo el ecosistema tanto en
seres humanos como plantas y animales''.
En el caso de México, indicó, estudios recientes han comprobado que poco más de 50 por
ciento de los bosques de coníferas desaparecerán como resultado del cambio climático, con
un "evidente efecto en plantas y animales de ese ecosistema".
La Organización de Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación (FAO) señaló
que el cambio climático es uno de los diversos factores de transformación en plantas y
animales. Por lo que respecta a las plagas que afectan diversas especies de plantas, en las
que se incluyen insectos, patógenos y malezas, éstas constituyen ''un obstáculo para el
desarrollo de una adecuada producción de alimentos en muchas regiones del mundo, lo que
contribuye directamente a la inseguridad alimentaria y a la pobreza'', aseguró la FAO [12].
1.2.2 Combate de los clorofluorocarbonos (CFC) y restricciones de los
hidroclorofluorocarbonos (HCFC) a nivel mundial
Los CFC son una familia de sustancias que se utilizan en múltiples aplicaciones, siendo la
principal la industria de la refrigeración. Éstos, poseen una capacidad de supervivencia en
la atmósfera, de 50 a 100 años, dentro de los cuales alcanzan la estratosfera donde son
disociados por la radiación ultravioleta, liberando el cloro de su composición y dando
comienzo al proceso de destrucción del ozono. Al descomponerse los CFC liberan cloro
RAÚL ROMÁN AGUILAR
12
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
atómico el cual es muy reactivo y destruye a las moléculas de ozono, se considera que un
solo átomo de cloro destruye hasta 100 000 moléculas de ozono [13]. El proceso de
destrucción del ozono se puede representar de la siguiente manera: los rayos ultravioleta
actúan sobre una molécula de CFC desprendiendo un átomo de cloro que a su vez actúa
sobre la molécula de ozono descomponiéndose en oxigeno y monóxido de cloro, como se
puede observar en la figura 1.3.
F Rayos Ultravioleta CFC
C Cl
Figura 1.3. Proceso de destrucción del Ozono a partir de la reacción de las moléculas de CFC con los rayos ultravioleta.
El átomo de cloro vuelve a quedar libre, a partir de la reacción del monóxido de cloro con
otras moléculas de oxigeno para seguir reaccionando con otra molécula de ozono y así
sucesivamente.
Debido a los problemas que genera el uso de los CFC y otras sustancias como el bromuro
de metilo y el tetracloruro de carbono, en 1987 surge el Protocolo de Montreal, el cual
obliga a los países a eliminar, en diversas etapas, la fabricación y el consumo de las
O
OO
Cl
ClCl
Ozono O3
Cl O
O
O
Cl Monóxido de cloro
Cl
Oxigeno O2
RAÚL ROMÁN AGUILAR
13
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
sustancias que agotan la capa de ozono. El Protocolo entró en vigor, oportunamente, el 1 de
enero de 1989, cuando 29 países y la Comunidad de Estados Europeos (CEE), que
representan aproximadamente el 82% del consumo mundial lo habían ratificado y a partir
de entonces muchos otros países lo han ratificado, incluyendo México.
En los países desarrollados se suspendió la producción de todas esas sustancias que
destruyen la capa de ozono en 1996 y los países en vías de desarrollo, están obligados a
eliminar el consumo y la producción de CFC en 2010
El 25 de agosto de 2005 concluyó por completo la producción de clorofluorocarbonos en la
planta Quimo-básicos del Grupo Cydsa, cayendo a cero la elaboración de estos gases en
México y ayudando a reducir en un 60 % la producción total de estos gases en América
Latina y en cerca de un 12 % a nivel mundial. Adelantándose así México, 4 años de lo
establecido en el Protocolo de Montreal.
A lo largo de 42 años, Cydsa produjo más de 400 mil toneladas de CFC, los cuales se
utilizan en refrigeradores, pero desde agosto de 2005 dicha compañía sustituirá los CFC por
otro compuesto que incluye hidrógeno y se denomina HCFC-22, el cual conserva las
mismas propiedades, pero “es más amigable al ambiente”, y de acuerdo con el Protocolo de
Montreal, puede ser fabricado hasta el 2040 [14].
Hay otras sustancias, como los alones (agentes de extinción de incendios) y el bromuro de
metilo (un agroquímico) que producen el mismo daño, y sobre ellos también hay
compromisos internacionales para su eliminación, entre 2010 y 2015.
El 11 de diciembre de 1997 surge el Protocolo de Kyoto, como una medida para combatir
los efectos del cambio climático, cuyo principal objetivo a enfrentar es la reducción de
emisiones de seis gases que son dióxido de carbono (CO2), metano (CH4), óxido nitroso
(N2O), hidrofluorocarbonos (HFC), perfluorocarbonos (PFC) y hexafluoruro de azufre
(SF6) que crean el efecto invernadero y que traen consigo el calentamiento global de la
tierra. Éstos dos fenómenos se describen el la figura 1.4.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
14
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
Figura 1.4. Efecto invernadero y calentamiento global.
La intensión de este protocolo es disminuir 5% la cantidad de esos contaminantes en la
atmósfera terrestre en el periodo que va de 2008 a 2012, en comparación con las emisiones
registradas en 1990. sin embargo, Gerald Doucet, secretario general del consejo mundial de
energía, durante la segunda reunión ministerial del dialogo sobre el cambio climático,
energía limpia y desarrollo sustentable, que se desarrolló en Monterrey, Nuevo León,
México en octubre de este año, expuso que el protocolo de Kyoto quedó corto ante las
necesidades de reducir los gases de efecto invernadero, pues los países desarrollados
emitirán mayor cantidad de carbono de lo estimado y las naciones en vías de desarrollo no
están obligadas a controlar sus emisiones. No obstante manifiesta que el tratado funciono
como una medida política que ayudó a concienciar y generar el consenso sobre el verdadero
problema que representa el calentamiento global y sus efectos tanto en el medio ambiente,
como en a economía y población mundial [15].
En la figura 1.5 se muestra una guía de reemplazo para los CFC, HCFC y HFC. Esta gráfica
fue proporcionada por la empresa Dupont y muestra el nombre de los sustitutos que dicha
empresa pone a la venta, junto con su designación general de la ASHRAE (Sociedad
Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Acondicionamiento de Aire).
RAÚL ROMÁN AGUILAR
15
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
Figura 1.5. Guía general de reemplazo de refrigerantes,
proporcionado por la empresa Dupont.
1.2.3 Nuevos refrigerantes
Desde los años 30, los clorofluorocarbonos han sido ampliamente usados en el campo de la
refrigeración debido a sus favorables características. En particular, se usaron para unidades
de refrigeración pequeñas y refrigeradores domésticos. El refrigerante R-12 fue el más
dominante, siendo éste uno de los primeros refrigerantes desarrollados en la industria de la
refrigeración.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
16
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
Debido que la fecha límite para sustituir los clorofluorocarbonos (CFC) es en el 2010, se
está optando por emplear los hidroclorofluorocarbonos (HCFC) que son más amigables al
medio ambiente como una opción inmediata. Los sustitutos inmediatos que la empresa
Dupont puso a la venta en enero de este año (2006) son el Refrigerante 401a (R-401a) que
es una mezcla de HCFC-22, HFC-152a y HCFC-124 y el Refrigerante 409a (R-409a) que
es una mezcla de HCFC-22, HFC-142b y HCFC-124 [16].
De acuerdo con un estudio reciente sobre el uso de hidrocarburos como gases
refrigerantes, realizado en diferentes países (Cuba, Costa Rica e Indonesia), existe
suficiente evidencia para indicar que el uso de esta alternativa se considere como una
opción válida, y una posibilidad de acelerar la eliminación de los clorofluorocarbonos en
algunos países en vías de desarrollo.
Existen firmas tales como CARE (Inglaterra) y Enviro-Safe (Estados Unidos), entre otros,
que están produciendo comercialmente estos gases, además de estar trabajando en su
utilización no sólo a nivel doméstico sino también comercial. En Alemania se utilizan ya
refrigeradores que usan isobutano (un hidrocarburo) como gas refrigerante [17].
Recientemente, se ha puesto mucha atención a los hidrocarburos, también llamados fluidos
naturales; los cuales tienen mayor demanda por ser más amigables al medio ambiente que
los fluidos sintéticos, analizándose el uso de estos refrigerantes en refrigeradores
domésticos, para remplazar a los fluidos que destruyen la capa de ozono. Éstos ofrecen
otras ventajas como el que no sean tan caros y estén disponibles en grandes cantidades,
además este tipo de fluidos no causan efecto invernadero. La principal desventaja es que
son sustancias altamente flamables y deben ser manejados con precaución. Este tipo de
compuestos o mezclas pueden ser considerados como substitutos o alternativas de los
refrigerantes existentes.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
17
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
La nomenclatura de los refrigerantes se consigue de la manera siguiente: la R esta
designada a un refrigerante, todos los refrigerantes contienen carbono y algunos pueden
contener uno o dos halógenos: bromo, cloro o flúor. También pueden contener hidrógeno.
De este modo la formula general de los refrigerantes se puede escribir en forma condensada
como sigue. CxHyFzCln y a partir de ésta se usa la regla del 90.
La regla del 90 establece que se debe cumplir la siguiente relación: xy+90 =xyz, en cuanto
al valor de n se debe ajustar para que se cumplan las leyes de escritura química de estos
compuestos. Se puede demostrar fácilmente que: n=2(x+1)-y-z
La forma de deducir la composición química de un refrigerante a partir de su nombre es la
siguiente. Se aplica la regla del 90 al valor que sigue a la R del nombre; por ejemplo el R-
11 nos da: 11+90=101
Lo que significa que x=1, y=0, z=1
La cantidad de átomos de cloro se calcula entonces de inmediato: n=2(1+1)-1=3
Finalmente, la formula química del R-11 es: C1F1Cl3 = CCl3F
RAÚL ROMÁN AGUILAR
18
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
1.3 OBJETIVOS
En esta tesis se propone realizar el estudio de las propiedades termofísicas densidad y
tensión superficial, en mezclas de substancias que son consideradas como alternativas para
emplearse en diferentes sistemas de refrigeración por compresión de vapor, como una
medida ante problemas del medio ambiente que trae consigo el uso de las sustancias
actualmente utilizadas como se menciona en párrafos anteriores de este capítulo.
1.3.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar las propiedades termofísicas densidad y tensión superficial de mezclas de
sustancias que permitan generar nuevas alternativas en refrigerantes para sistemas de
refrigeración.
1.3.2 OBJETIVOS PARTICULARES
1. Realizar una investigación documental, de los estudios realizados en propiedades
termofísicas, de sustancias para sistemas de refrigeración.
2. Integrar un sistema que permita realizar la preparación de mezclas binarias de
sustancias altamente volátiles.
3. Integrar un equipo para medir densidad, de modo que permita medir la densidad de
sustancias altamente volátiles, incluyendo las propuestas en esta tesis y a diferentes
presiones.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO I
4. Obtener experimentalmente la densidad de diferentes mezclas de refrigerantes, a
diferentes presiones, temperaturas y concentraciones.
5. Integrar un equipo de tensión superficial que utiliza el método de gota pendiente, de
modo que permita medir la tensión superficial de sustancias altamente volátiles,
incluyendo las propuestas en esta tesis y a diferentes presiones.
6. Obtener experimentalmente la tensión superficial de diferentes mezclas de
refrigerantes, a diferentes presiones, temperaturas y concentraciones.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
C a p í t u l o
II
RAÚL ROMÁN AGUILAR
21
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
CAPÍTULO II: Análisis bibliográfico de estudios realizados en propiedades
termofísicas de refrigerantes.
2.1 propiedades de interés y países interesados en esta área
Actualmente se están realizando numerosas investigaciones en los distintos componentes del
sistema de refrigeración por compresión de vapor, entre los cuales se puede mencionar la
investigación en los compresores para que sean más eficientes en cuanto a consumo de energía,
por su parte los evaporadores y los condensadores se están haciendo más eficientes en cuanto a
intercambio de calor y los dispositivos de expansión están sufriendo también importantes
mejoras. Como estos estudios, en todo el campo de la refrigeración se están realizando muchas
investigaciones y por supuesto, no podría faltar la investigación que están teniendo los fluidos de
trabajo que contienen este tipo de sistemas, ya que hoy en día son el centro de estudio de los
sistemas de refrigeración por compresión de vapor, debido a los graves problemas de
contaminación que traen consigo este tipo de sustancias.
En los últimos años, se ha puesto mucho interés en estudiar nuevas sustancias para sistemas de
refrigeración, debido a los problemas que generan las actualmente usadas y en especial los
clorofluorocarbonos. Países como Japón, China, Corea, Estados Unidos, Francia, entre otros, han
desarrollado varios estudios que involucran mezclas binarias, ternarias y cuaternarias de
refrigerantes, y han incluido sustancias tales como éteres, fluoro Alcanos, fenil Alcanos,
hidrocarburos y compuestos inorgánicos para la elaboración de éstas. Se pretende que con el
estudio de propiedades termofísicas, tales como calor especifico, puntos críticos, temperaturas de
ebullición, densidad y tensión superficial, entre otros, se analice si las características físicas de las
nuevas mezclas son similares a las de refrigerantes actuales y así obtener una nueva gama de
éstos, tales que permitan sustituir a los actuales previendo que los nuevos sean menos
contaminantes, tal es el caso del R-134a que es uno de los mejores refrigerantes encontrados
hasta el momento, no obstante, aun que no destruye la capa de ozono, es un gas que posee un
elevado potencial de efecto invernadero, y a partir del Protocolo de Kyoto (1997) a pasado a
formar parte de la lista de los gases de efecto invernadero a ser controlados [17].
RAÚL ROMÁN AGUILAR
22
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
Los países que investigan actualmente nuevos refrigerantes son: Japón, Corea del sur, China,
Estados unidos, Francia, Alemania, Rusia, Italia, Eslovenia, Portugal, Brasil, España, Republica
Checa, Grecia, Indonesia y a partir de este trabajo México.
Dentro de los estudios realizados en esta área, no sólo se buscan nuevas sustancias refrigerantes,
también se busca completar estudios en los que hagan falta datos para cubrir intervalos
requeridos, en los que se puede abarcar diferentes concentraciones, diferentes rangos de
temperaturas, presiones y otras propiedades termofísicas.
Cabe señalar que hoy en día, está teniendo auge el estudio de mezclas (binarias, ternarias y hasta
cuaternarias), no así de sustancias puras, debido a los fenómenos que ocurren al crear las mismas
y que son observados de buena manera en la práctica.
2.2 Estudios de densidad en refrigerantes
La densidad es una propiedad característica muy importante para designar como eficiente a un
refrigerante. Como se ha mencionado en el capítulo 1, la característica principal de estos fluidos,
es que deben tener una densidad lo más elevada posible, para que el consumo de energía en el
compresor por unidad de masa de fluido que circula sea lo más baja posible.
Por otro lado, la densidad de líquido es una de las propiedades más importantes requeridas para
desarrollar ecuaciones de estado exactas, además de que los datos experimentales de la misma,
son esenciales en la fase correspondiente para comparar las eficiencias entre los diferentes
compuestos. A continuación, se presenta el análisis de la bibliografía encontrada en densidad de
sustancias para sistemas de refrigeración por compresión de vapor.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
- Adachi y colaboradores [18] realizaron un estudio en hidrocarburos, incluyendo el propano (R-
290), isobutano (R-600a) y sus mezclas binarias, los cuales son unos de los candidatos más
prometedores como alternativas de refrigerantes para sistemas de refrigeración y aire
acondicionado. El estudio abarcó la medición de propiedades pVT en la fase gaseosa y puntos de
rocío para el sistema binario R-290 + R-600a mediante el método acoplado Burnett – Isochoric,
debido a que los datos disponibles para los sistemas binarios R-290 + R-600a están limitados en
la fase líquida y las propiedades pVT no están disponibles en la fase gaseosa. Las mediciones
cubrieron temperaturas de (250 a 380) K y presiones superiores a 5 MPa y densidades por encima
de (1/2) ρc (densidad crítica), con esto se desarrolló una correlación de la presión de vapor y una
ecuación de estado virial para cubrir toda la composición.
- Bobbo y colaboradores [19] estudiaron las densidades de líquido comprimido y líquido saturado
del pentafluorobutano (HFC-365) a lo largo de 8 isotermas en un intervalo de (283.15 a 343.06)
K y presiones superiores a 25 MPa, para lo cual utilizó un densímetro de tubo vibrante marca
Anton Paar. Esta sustancia es propuesta como un substituto de los CFC en varias aplicaciones de
la cual aún no había suficientes datos y con esta investigación se logró cubrir un amplio intervalo,
además que se elaboró una correlación de los datos experimentales pρT tanto para la densidad del
líquido comprimido como para la densidad de líquido saturado mediante la ecuación de Tait.
- Oguchi e Ibusuki [20] presentaron un estudio experimental de las propiedades pVT para
soluciones acuosas de amoniaco, llamada mezcla NH3-H2O. Esto se llevó a cabo con equipos a
volumen constante, centrándose especialmente en el comportamiento de máxima densidad. Este
estudio se hace debido a la reciente demanda de datos tanto para usos en refrigeración como para
la recuperación de calor desechado en plantas de energía y otros propósitos. La ecuación de
estado para trabajar las mezclas NH3-H2O es la ecuación de estado de Tillner Roth.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
- Kano y colaboradores [21] obtuvieron propiedades pVT de refrigerantes alternativos mediante
un arreglo especial de un densímetro de tubo vibrante. Con el sistema de medición usado se ha
tenido éxito obteniendo más de 2000 datos de propiedades pVT en la fase líquida, fase vapor y
fronteras de saturación de componentes puros. Además se obtuvieron más de 1000 datos de
densidad líquida para varias mezclas binarias y ternarias. La medición de refrigerantes
alternativos en el presente estudio incluye CF3OCH3 (trifluorometil metil éter) y CF3CF2OCH3
(penta fluoro etil metil éter), los cuales son hidrofluoroéteres desarrollados por RITE (Instituto de
investigaciones e innovación tecnológica de Japón) e hidrocarburos típicos, como el propano,
butano, isobutano y sus mezclas binarias y ternarias.
- Kayukawa y colaboradores [22] presentaron dos ecuaciones de estado, una para fase líquida y
otra ecuación de estado para refrigerantes ambientalmente amigables como lo son los
hidrocarburos, en los que se incluyó propano, butano, isobutano e hidrofluoroéters. Para la
obtención de los resultados experimentales se utilizó un densímetro de tubo vibrante y los datos
de salida, fueron los datos de entrada de las ecuaciones de estado, a desarrollar. El intervalo de
temperatura en que se llevó a cabo la experimentación para estos sistemas fue de (240 a 380) K y
presiones superiores a 7 MPa. La ecuación de estado utilizada para representar las propiedades
termodinámicas de hidrocarburos puros e hidrofluoroéteres a presiones superiores a 20 MPa fue
la propuesta por Sato en 1981.
- Kazuhiko y Noboru [23] realizaron un estudio en la solución acuosa bromuro de litio (LiBr), la
cual es ampliamente usada en sistemas de aire acondicionado por absorción como fluido de
trabajo. Este estudio abordo la densidad y temperatura de cristalización de la solución acuosa,
utilizando un densímetro de tubo vibrante y concentraciones de (65.4, 66.2, 67.1, 68.2 y 69.5) %
en masa de LiBr sobre un intervalo de temperatura (333 a 423) K. Las razones por las que se optó
estudiar esta solución son debido a que no es volátil, no causa la destrucción de la capa de ozono
y no ayuda al calentamiento global de la tierra, además de que los sistemas de refrigeración por
absorción pueden utilizarse en sistemas de cogeneración y ayudar al ahorro de energía.
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
- Fröba y colaboradores [24] presentaron un estudio experimental en nuevos fluoroalcanos como
lo es el pentafluorobutano (R-365). El estudio incluyó la obtención de densidad y la
conductividad térmica del R-365mfc en la fase líquida cerca de las condiciones de saturación a
temperaturas entre (263 y 333) K usando un instrumento de placas paralelas. Para medir la
densidad de líquido saturado se utilizó un instrumento de tubo vibrante en un intervalo de
temperatura (273 a 353) K. Para determinar la difusividad térmica y la velocidad del sonido en las
fases líquido y vapor, se uso la técnica de dispersión de luz sobre el volumen del fluido, la
experimentación del R-365mfc se llevó a cabo bajo condiciones de saturación en un amplio
intervalo de temperatura (253 a 460) K. La determinación simultánea de tensión superficial y
viscosidad cinemática de la fase líquida, fue realizada mediante la dispersión de luz por ondas de
superficie sobre la interfase horizontal del líquido-vapor.
- Peng y Chen [25] estudiaron las densidades de saturación y propiedades críticas del HFC-
227ea en un intervalo de temperaturas de 326.56 K hasta la temperatura crítica. La temperatura
crítica Tc= (375.040 ± 0.005) K y densidad crítica ρc= (590 ± 5) kg/m3 fueron obtenidas en base
al fenómeno de opalescencia crítica y la presión crítica pc= (2930 ± 1.5) kPa fue extrapolada de la
ecuación de la presión de vapor propuesta por autores previos. La densidad de vapor saturado del
HFC-227ea fue estimada por la ecuación combinada con la ecuación de presión de vapor.
- Piñeiro y colaboradores [26] realizaron un estudio de densidades del perfluorohexano y el
perfluorononano, usando un densímetro de tubo vibrante, en un intervalo de presión de (0.1 a 40)
MPa y variando las temperaturas de (283.15 a 313.15) K. A partir de estos datos, se calcularon
algunos coeficientes termodinámicos como la expansión térmica isobárica, compresibilidad
isotérmica y presión interna. Los resultados fueron usados para estudios comparativos de
rendimiento en varias ecuaciones de estado, con esto se encontró que la mayoría de las
ecuaciones de estado probadas tienen una alta desviación cuando son aplicadas para la estimación
de pVT de los perfluoroalcanos. La ecuación de Sako-Wu-Prausnitz se muestra como la mejor
opción para dicha estimación cuando se combina con una dependencia de temperaturas.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
26
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
- Kul Ismail y colaboradores [27] obtuvieron una cantidad suficiente de datos de presión de vapor
en mezclas ternarias para calcular relaciones de la fase líquido-vapor, usando la ecuación de Van
Laar. Los datos de presión de vapor son también reportados para mezclas ternarias que contienen
R-125 (pentafluorodimetiléter). Los datos de densidad líquida y los parámetros críticos son
reportados para mezclas equimolares, las cuales son consideradas como alternativas de R-22,
basándose en su punto de ebullición y temperatura crítica.
- Pensado y colaboradores [28] realizaron un estudio experimental en densidad y viscosidad
dinámica en mezclas de dióxido de carbono con cuatro pentaerythritol éter a bajas
concentraciones de lubricante, el estudio se realizó en un intervalo de (303.15 a 353.15) K y
presiones arriba de 60 MPa. El estudio se realizó debido a que el dióxido de carbono ha sido
propuesto como un substituto de los CFC y HCFC para sistemas de refrigeración y los
pentaerythritol éter han sido sugeridos como un importante componente de lubricantes para
sistemas de refrigeración con dióxido de carbono, debido a su buena biodegradavilidad,
comparado con aceites minerales.
2.3 Tensión superficial
La tensión superficial es una propiedad termofísica básica, especialmente en lo que se refiere a la
interfase líquido-vapor y actualmente es medida para analizar la transferencia de calor a través de
superficies de intercambio de calor con burbujas o flujo de gotas. A continuación se presenta un
análisis de los estudios realizados en tensión superficial de sustancias utilizadas en los sistemas
de refrigeración.
- Lin y Duan [29] estudiaron la tensión superficial del trifluoroetano, heptafluoropropano y sus
mezclas binarias, probándolas en 3 diferentes concentraciones de masa (27.91/72.09) %,
(49.44/50.56) % y (74.11/25.89) % medidas en un intervalo de temperatura de (253 a 333) K,
usando el método de elevación capilar, bajo las condiciones de equilibrio líquido-vapor.
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
Los datos del experimento fueron usados para desarrollar una correlación de la tensión superficial
con la ecuación de van der Walls para el HFC-134a y HFC-227ea puros. La correlación de éstos,
fue usada para desarrollar una correlación de tensión superficial para los datos experimentales de
la mezcla HFC-134a/227ea como una función de la fracción masa.
- Okada e Higashi [30] estudiaron la tensión superficial de seis refrigerantes, tres HCFC (HCFC-
124, HCFC-141b, HCFC-142b) y tres HFC (HFC-32, HFC-125, HFC-152a), utilizando el
método de elevación capilar, en un intervalo de temperaturas de (270 a 340) K. La exactitud de
las mediciones realizadas fue de ±0.2 mN·m-1 y los datos fueron representados con la ecuación de
van der Waals.
- Lin y Duan [31] midieron la tensión superficial de la mezcla binaria (R-143a + R-134a) en tres
concentraciones, usando el método de elevación capilar en un intervalo de temperatura de (257 a
329) K. Los datos obtenidos fueron correlacionados como una función de la fracción de masa,
usando la correlación de sustancias puras de esta mezcla.
- Lin y Duan [32] midieron la tensión superficial del R-290 y R-600a, usando el método de
elevación capilar, en un intervalo de temperatura de (253 a 333) K. Los datos fueron usados para
desarrollar una correlación con la ecuación de van der Waals en ambas sustancias.
Debido a la destrucción de la capa de ozono por los CFC, en este estudio se propone a los
hidrocarburos como una alternativa aceptable en mezclas de refrigerantes, debido a sus
excelentes propiedades termodinámicas y su disponibilidad en el planeta.
- Okada y colaboradores [33] realizaron un estudio de tensión superficial en las siguientes
mezclas de refrigerantes: R410a, R-410b, R407c, R404a y R-507, usando el método de elevación
capilar y cubriendo un intervalo de temperaturas de (273 a 323) K. los datos fueron representados
usando la fracción de masa en la correlación de van der Waals.
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
- Okada M. y Watanabe K. [34] compilaron los datos de tensión superficial de 17 diferentes
refrigerantes fluorocarbonados, incluyendo el R-11, R-12, y R-22. La tensión superficial de los
refrigerantes es muy importante, para varias aplicaciones de ingeniería, en especial para el
análisis de transferencia de calor en fluidos con ebullición o condensación, por tal motivo es
necesario tener la mayor cantidad de información, no obstante, la disponibilidad de datos de
tensión superficial para refrigerantes es insuficiente, comparado con otras propiedades
termofísicas.
2.4 Puntos críticos
- Otake y colaboradores [35] midieron parámetros críticos de mezclas binaras HFE-245mc y
HFC-125, HFC-134a, HFC-227ea y HFC-236ea. Los parámetros de las mezclas fueron medidos
mediante la observación del comportamiento de los meniscos en la interfase líquido-vapor en una
celda óptica. Con esto se encontró que la gama de datos experimentales en densidad crítica, son
mayores que los de presión y temperatura crítica, probablemente debido a la dificultad de obtener
las mediciones cerca de las condiciones críticas. Los datos obtenidos fueron relacionados con la
ecuación propuesta por Higashi.
- Higashi Y. [36] obtuvo las curvas de coexistencia líquido-vapor cerca del punto crítico para la
mezcla binaria difluorometano (R-32) + propano (R-290) mediante la observación visual de la
desaparición de meniscos, obteniendo 12 y 15 datos de vapor saturado y densidad líquida para 70
% de masa de R-32 y 90 % de masa de R-32 respectivamente, en un intervalo de temperaturas de
(316 a 345) K y un intervalo de densidad de (109 a 717) kg/m3.
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
2.5 Capacidad calorífica
- Hykrda y colaboradores [37] determinaron la capacidad calorífica isobárica del R-227, mediante
el desarrollo de un nuevo método experimental para mediciones de capacidades caloríficas
isobáricas, abajo de 223 K y presiones superiores a 30 MPa, esto con el propósito de estudiar
refrigerantes alternativos a temperaturas subambientales y presiones elevadas. Los
procedimientos experimentales fueron probados primero a presión atmosférica con metanol en un
intervalo de temperatura de (223 a 283) K, después se probó con R-134a para el cual la capacidad
calorífica específica y los valores de densidad fueron generados de la ecuación de estado
fundamental por Tillner Roth y Baehr. Esta investigación muestra que es posible medir con el
método propuesto las capacidades caloríficas isobáricas de refrigerantes con una incertidumbre
de alrededor de 0.5 % en un intervalo de temperaturas de (220 a 280) K.
-Kitajima y colaboradores [38] presentaron las capacidades caloríficas isocóricas y la
composición de las propiedades pVT, las cuales fueron medidas para la mezcla
propano+isobutano en la fase líquida y en la región supercrítica, los experimentos fueron
realizados en un intervalo de temperaturas de (270 a 420) K y a presiones arriba de 30 MPa, con
un calorímetro tipo adiabático y comparando los resultados con una ecuación de estado.
- Matsuguchi y colaboradores [39] midieron la capacidad calorífica isocórica del R-32 y R-410ª
en un intervalo de temperaturas de (270 a 420) K y presiones arriba de 30 MPa. Los datos
medidos son examinados con ecuaciones de estado disponibles. Este tipo de estudios es
importante, ya que las ecuaciones de estado de estos fluidos de trabajo son necesarias para
evaluar el rendimiento del ciclo de los sistemas de refrigeración.
- Kagawa y colaboradores [40] midieron la capacidad calorífica específica isobárica del R-143a
en la fase gaseosa. Las mediciones se realizaron en un intervalo de temperaturas de (311 a 343) K
y presiones de (1.6 a 2.4) MPa. Los datos experimentales fueron evaluados con ecuaciones de
estado disponibles. El estudio se realizó debido a que los datos de propiedades calorimétricas del
R-143ª en la fase gaseosa están muy limitados.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
2.6 Otros estudios relacionados con refrigerantes
Entre los estudios que se están realizando en refrigerantes, comprende el desarrollo de ecuaciones
de estado, las cuales son necesarias para evaluar el rendimiento del ciclo de los sistemas de
refrigeración, también hoy en día se están evaluando las propiedades termofísicas de refrigerantes
alternativos como el CO2 y la solubilidad de diversos aceites con distintos refrigerantes.
- Rykov y colaboradores [41] desarrollaron una ecuación de estado en la forma de la energía libre
de Helmholtz para representar datos termodinámicos experimentales del HFC 134a en amplios
intervalos de densidad y temperatura, incluyendo la región crítica. Este trabajo se hizo con la
finalidad de tener mayor exactitud en la región del punto crítico, el análisis de este trabajo ha
permitido concluir que la estructura de esta ecuación de estado puede ser usada para aproximar
datos en amplios intervalos de p, T, incluyendo propiedades termofísicas. Esta ecuación de estado
también puede ser usada para añadir y corregir datos en la región crítica.
- Rogdakis y colaboradores [42] estudiaron la existencia de una ecuación fundamental del punto
de ebullición, basado en una ecuación empírica de presión de vapor en forma logarítmica, esto
con el fin de usarse la ecuación en un modelo termodinámico y evitar la técnica de iteraciones
numéricas que llevaría más tiempo en los cálculos. También se pretende lograr una interrelación
exacta entre la presión de vapor y el punto de ebullición, a partir de datos experimentales.
- Lemmon y Jacobsen [43] presentaron una nueva formulación de las propiedades
termodinámicas del R-125, usando nuevos términos y técnicas adaptadas, se usa también una
ecuación de estado en la forma de la energía libre de Helmholtz con nuevos términos para
eliminar las características indeseables en la región crítica bifásica de dicho refrigerante. Esta
formulación puede usarse para el cálculo de todas las propiedades termodinámicas del R-125. La
ecuación de estado empleada es válida para temperaturas desde el punto triple (172.52 K) hasta
500 K y para presiones superiores a 60 MPa.
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
- Astina y Sato [44] presentaron el desarrollo de un modelo de propiedades termodinámicas,
usando el mismo concepto en las fases del fluido R-152a en una serie de estudios sobre
modelación termodinámica de refrigerantes HFC. Este modelo utiliza la energía libre de
Helmholtz con un tercer coeficiente virial para las fases del R-125a y también es válido en las
fases del fluido para temperaturas del punto triple de 450 K y presiones arriba de 60 MPa.
- Lee y colaboradores [45] analizaron el rendimiento de mezclas ternarias compuestas de HFC y
HC, las cuales son mezclas de refrigerantes alternativos del HCFC 22, seleccionando al HFC-32,
HFC-152, HFC-134a, HFC 152a, HFC 227ea y HFC-236ea y de los HC el propano y el
isobutano para la composición de tales mezclas. El análisis se realizó mediante una simulación
del ciclo de refrigeración, y con datos obtenidos de las pruebas realizadas en un calorímetro. El
simulador utilizado puede predecir teóricamente el rendimiento dado por las mezclas de
refrigerantes analizadas. De las 19 mezclas utilizadas, 6 de ellas fueron seleccionadas como
candidatas para alternativas del HCFC-22 (R-32/R-134a/R-600, R-32/R-152a/R-227ea, R-32/R-
134a/R-236ea, R-32/R-152a/R-236ea, R-32/R-134a/R-600a. El rendimiento de estas mezclas
fueron comparadas también con el R-407 y el R-410a además del HCFC-22.
- Kul y colaboradores [46] estudiaron el límite de baja flamabilidad del Difluorometano y teoría
de filtración como una necesidad de reemplazar refrigerantes clorofluorocarbonos no flamables.
La protección del ozono ha atraído el estudio de la flamabilidad para establecer nuevas
propuestas de refrigerantes alternativos. El método aceptable más ampliamente usado para
estudios experimentales de flamabilidad es el dispositivo ASTME 681. Este método contiene la
mezcla de vapor-aire dentro de un frasco de 5 ó 12 litros de fondo redondo. En este trabajo se
presenta una teoría de filtración para explicar el efecto del tamaño del vaso o recipiente y la teoría
es usada para extrapolar el límite de baja flamabilidad del R-32.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
- Poot y Loos [47] presentaron datos experimentales de equilibrio líquido-vapor, equilibrio
líquido-líquido y equilibrio líquido-líquido-vapor para el sistema tetrafluoroetano (134a) y
feniloctano, en un intervalo de temperatura de (260 a 400) K y a presiones superiores a 12 MPa.
Los experimentos se llevaron a cabo de acuerdo a un método sistemático, en un equipo llamado
CAILLETET, el cual puede ser usado en un intervalo de temperaturas de (233 a 513) K y
presiones arriba de 15 MPa. El estudio de estos elementos es debido a que los fenilalcanos tienen
buena estabilidad química, alta lubricidad y son ligeramente miscibles con los HFC, esto es
importante porque los poliolester, polialquilenglicoles o fenilalcanos son aceites sintéticos usados
como lubricantes en los sistemas de refrigeración.
- Ki-Sub Kim [48] presentó una nueva aplicación de líquidos iónicos como fluidos de trabajo en
bombas de calor o “chillers”, con el propósito a largo plazo de mejorar la eficiencia de las
bombas de calor para sistemas por absorción con las consecutivas ventajas el respecto de ahorro
de energía. La presión de vapor fue medida usando el método del punto de ebullición en un
intervalo de concentración de (40 a 90) % de masa de líquido iónico y los resultados fueron
relacionados con la ecuación de Antoine, obteniendo que una de las dos mezclas analizadas es
más favorable que la otra en cuanto a los resultados de la presión de vapor. Los índices de
refracción, la densidad y la capacidad calorífica de cada líquido iónico puro fueron medidos en
un intervalo de temperatura de (298.2 a 323.2) K
- Fröba y Leipertz [49] realizaron un estudio mediante el método de la dispersión de luz dinámica
(DLS) para la medición de varias propiedades termofísicas de las mezclas de refrigerantes R-
410a y R-407c, entre las que se encuentran la difusividad térmica y la velocidad del sonido, esto
para un volumen de fluido en ambas fases líquido y vapor bajo condiciones de saturación, sobre
un amplio intervalo de temperaturas de alrededor de 290 K arriba del punto crítico líquido-vapor.
Mediante la aplicación del método DLS en la interfase líquido-vapor, también llamada dispersión
de luz superficial (SLS), la viscosidad cinemática de líquido saturado y la tensión superficial
pueden ser determinadas simultáneamente. Estas propiedades han sido medidas para R-410a y R-
407c desde (240 a 330) K y de (240 a 350) K, respectivamente.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
- Fröba y colaboradores [50] determinaron la difusividad térmica y la velocidad del sonido de las
mezclas binarias de refrigerantes R-143a y R-125 para ambas fases de líquido y vapor saturado
usando la dispersión de luz (DLS), tales mediciones fueron realizadas para cuatro diferentes
mezclas sobre un amplio intervalo de temperaturas acercándose al punto crítico de líquido-vapor.
Los resultados fueron obtenidos corroborando la utilidad del método de predicción simple para la
determinación de diferentes propiedades termofísicas de mezclas multicomponentes en la región
bifásica arriba del punto crítico. Además de la información de las propiedades de los
componentes puros, la aplicación útil del método de predicción simple es también basado en el
conocimiento exacto de la temperatura crítica, la cual ha sido determinada en dependencia sobre
la composición de la mezcla R-125 y R-143a mediante la observación de desaparición de
meniscos entre la fase líquido-vapor
- Ancherbak y colaboradores [51] estudiaron mediante métodos estáticos la solubilidad y
densidad de soluciones de aceite refrigerante R-245fa con poliéster, obteniendo también una
constante de capilaridad a partir de la cual determinaron la tensión superficial. Los datos
experimentales fueron obtenidos en un intervalo de (333 a 425) K y a presiones superiores a 3300
kPa.
- Bobbo Sergio y colaboradores [52] desarrollaron un estudio de la solubilidad del CO2 en
lubricantes sintéticos, esto debido al problema de elegir el apropiado lubricante para nuevos
refrigerantes, incluyendo el dióxido de carbono (CO2). A la fecha, existen pocos datos
disponibles en la literatura de propiedades termofísicas de sistemas refrigerante + lubricante, y la
mayoría de ellos se refieren a HFC y aceites comerciales y aunque el dióxido de carbono es
considerado como una de las promesas como alternativa de refrigerantes, aún no hay información
disponible de la solubilidad de éste en lubricantes.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
34
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
- Lugo L. y colaboradores [53] estudiaron la densidad de líquido comprimido de la mezcla
dimetil carbonato + octano, esto debido a que en años recientes, nuevos aceites basados en
moléculas de carbono han sido propuestas como candidatos a usarse en aires acondicionados
estacionarios debido a su estabilidad térmica, lubricidad y miscibilidad con los HFC. El estudio
se llevo a cabo en 9 mezclas sobre un intervalo de composición de (0.1≤ x ≥ 0.9), el intervalo de
temperatura para dicho estudio fue de (278.15 a 353.15) K y a presiones arriba de 25 MPa.
- Kremer H. y colaboradores [54] estudiaron las propiedades termofísicas de la mezcla de
refrigerante pentafluorobutano + perfluoropolieter, con una concentración de 65% masa y 35%
masa, respectivamente. Los datos fueron obtenidos sobre un intervalo de temperatura de 253 a
523) K, usando la técnica de dispersión de luz. La finalidad de este trabajo, fue formar una base
de datos confiables de esta mezcla de refrigerante, ya que anteriormente no existían datos
reportados acerca de esta mezcla.
- Tanaka K. y colaboradores [55] realizaron un estudio de equilibrio líquido-vapor, en mezclas
binarias y ternarias de R-290, R-600a y R-32, el estudio se realizó sobre un intervalo de
temperatura de (260 a 330) K. estas sustancias, son consideradas como sustitutos de los CFC,
HCFC y HFC.
- Botero C. y colaboradores [56] estudiaron las propiedades termofísicas difusividad térmica,
velocidad del sonido, viscosidad y tensión superficial de la mezcla cuaternaria R125, R143a,
R134a y R32, con una concentración de (20, 30, 25 y 25) % masa respectivamente, en la fase
líquida bajo condiciones de saturación, sobre un intervalo de 243 K hasta el punto critico líquido-
vapor, mediante la técnica de dispersión de luz.
Avelino H.M.N.T. y colaboradores [57] midieron la viscosidad del R-507A, el cual es una mezcla
equimolar de HFC-143a+HFC-125, las mediciones se realizaron sobre un intervalo de (254 a
293) K y presiones superiores a 10 MPa.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
35
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
El presente análisis bibliográfico, nos da una idea clara de los estudios en propiedades
termofísicas que se están llevando a cabo, en distintas sustancias que son consideradas como
alternativas para los sistemas de refrigeración por compresión de vapor, cumpliendo así con el
primer objetivo planteado en esta investigación.
La tabla 2.1 presenta un resumen del análisis bibliográfico anteriormente descrito, en esta
muestran las sustancias, propiedades termofísicas, rangos de temperatura y rangos de presión, que
se han investigado a lo largo de varios años. Tabla 2.1. Resumen del análisis bibliográfico.
Sustancia Propiedades estudiadas Fase estudiada Rango de temperatura K
estudiado
Rango de presión MPa
estudiado [18] Propano (R-290) Isobutano (R-600a) Propano+Isobutano
pVT Gas y puntos de rocío
250 a 380 > 5
[19] HFC-365 pρT Líquido comprimido y líquido saturado
283.15 a 343.06
> 25
[20]Solución amoniaco-agua (NH3-H2O)
pVT Líquido - -
[21]-Trifluorometil metil éter (CF3OCH3) -Penta fluoro etil metil éter (CF3CF2OCH3)
pVT Líquido Vapor y fronteras de saturación
- -
[22]- Propano Butano Isobutano Hidrofluoroéteres
pVT líquido 240 a 380 > 7
[23] Solución bromuro de litio (LiBr)
Densidad y temperatura de cristalización
líquido 333 a 423 atmosférica
[24] Pentafluorobutano (R-365).
Densidad, conductividad térmica, velocidad del sonido, tensión superficial y viscosidad cinemática
Líquido y cerca de la saturación Líquido saturado
263 a 333 273 a 353
-
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36
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
Tabla 2.1. Continuación resumen del análisis bibliográfico.
Sustancia Propiedades estudiadas
Fase estudiada
Rango de temperatura K
estudiado
Rango de presión MPa
estudiado [25] HFC-227ea Densidad,
presión critica y temperatura critica
- 326.56 a temperatura critica
-
[26] Perfluorohexano y el Perfluorononano
Densidad, líquido 283.15 a 313.15
0.1 a 40
[27] R-125 Presión de vapor, densidad
Líquido-vapor
- -
[28] Mezclas de dióxido de carbono con cuatro Pentaerythritol éter
Densidad y viscosidad dinamica
líquido 30.15 a 353.15 > 60
[29] Trifluoroetano (HFC-134ª), Heptafluoropropano (HFC-227ea) y sus mezclas binarias
Tensión superficial
Líquido-vapor
253 a 333
[30] HCFC-124, HCFC-141b, HCFC-142b HFC-32, HFC-125, HFC-152ª
Tensión superficial
Líquido-vapor
270 a 340 -
[31] R-143a + R-134a Tensión superficial
Líquido-vapor
257 a 290 -
[32] R-290 y R-600a Tensión superficial
Líquido-vapor
253 a 333 -
[33] R410a, R-410b, R407c, R404a y R-507
Tensión superficial
Líquido-vapor
273 a 323 -
[34] R-11, R-12, R-22 y 17 más
Tensión superficial
Líquido-vapor
- -
[35] Mezclas binaras HFE-245mc y HFC-125, HFC-134a, HFC-227ea y HFC-236ea.
Parámetros críticos
Líquido - vapor
- -
[36] Difluorometano (R-32) + propano (R-290)
Densidad y parámetros críticos
Líquido -vapor
316 a 345 -
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37
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
Tabla 2.1. Continuación resumen del análisis bibliográfico.
Sustancia Propiedades estudiadas
Fase estudiada
Rango de temperatura K
estudiado
Rango de presión MPa
estudiado [37] R-227
Capacidad calorífica - 223 > 30
[38]Propano+isobutano
pVT Líquido 270 a 420 >30
[39] R-32 y R-410a
Capacidad calorífica 270 a 420 > 30
[40] R-143a
Capacidad calorífica gas 311 a 343 1.6 a 2.4
[41] HFC 134a
Densidad Región critica
- -
[43] R-125
pVT Región critica
172.52 a 500 > 60
[47] Tetrafluoroetano (134a) y feniloctano
Equilibrio líquido-vapor, líquido-líquido, líquido-líquido-vapor
260 a 400 > 12
[50] R-143ª y R-125 Difusividad térmica y velocidad del sonido
Líquido y vapor saturado
- -
[53] Mezcla dimetil carbonato + octano
Densidad de líquido comprimido
líquido 278.15 a 353.15
> 25
En la tabla 2.2, se muestra una lista de sustancias propuestas como alternativas de fluidos de
trabajo en sistemas de refrigeración por compresión de vapor. Distintas propiedades termofísicas
de estas sustancias aun no han sido medidas.
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38
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
Tabla 2.2. Refrigerantes propuestos como alternativas para los sistemas de refrigeración.
Refrigerante Componentes Formula Química
Pentafluoroetano(R-125) CHF2CF3 (60%)
Propano (R-290) C3H8 (2%)
R-402a (60/2/38)
Clorodifluorometano (R-22) CHClF2 (38%)
Pentafluoroetano (R-125) CHF2CF3 (38%)
Propano (R-290) C3H8 (2%)
R-402a (38/2/60)
Clorodifluorometano (R-22) CHClF2 (60%)
Clorodifluorometano (R-22) CHClF2 (55%)
Octafluoropropano (R-218) C3F8 (39%)
R-403b (55/39/6)
Propano (R-290) C3 H8 (6%)
Clorodifluorometano (R-22) CHClF2 (55%)
Clorodifluoroetano (R-142b) CH3CClF2 (41%)
R-406a (55/41/4)
Isobutano (R-600a) CH (CH3)3 (4%)
Clorodifluorometano (R-22) CHClF2 (50%)
Clorotetrafluoroetano (R-124) CHClFCF3 (47%)
R-(1) (50/47/3)
Butano (R-600) C4H10 (3%)
Pentafluoroetano (R-125) CHF2CF3 (42%)
Trifluoroetano (R-143ª) CH3CF3 (6%)
Propano (R-290) C3H8 (2%)
R-(1) (42/6/2/50)
Clorodifluorometano (R-22) CHClF2 (50%)
De todas las propiedades halladas en la revisión bibliográfica, se observó que la densidad es la
propiedad más estudiada, como era de esperarse, debido a que es una propiedad importantísima
para calificar como eficiente un refrigerante. Como se mencionó en el capítulo uno, se busca que
ésta tenga un valor lo más elevado posible para que el consumo de energía en el compresor por
unidad de masa de fluido que circula sea lo más bajo posible. Además de la importancia que trae
consigo la densidad por si sola, muchas de las otras propiedades requieren a su vez de ésta para
poder obtenerse, como es el caso de la viscosidad y la tensión superficial.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
39
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO II
Por otra parte, respecto a los fenómenos de superficie, en muchos estudios se observa que es
omitido el efecto que tienen las interfases, dando toda la importancia a lo que sucede en el seno
de la materia, no obstante que existen muchos fenómenos en los que es la interfase la que
determina el comportamiento y propiedades del sistema que se estudia, entre estos fenómenos se
encuentra la corrosión, lubricación, catálisis heterogénea, detergencia, sistemas coloidales,
procesos electroquímicos, membranas biológicas, fenómenos de capilaridad y flujo de fluidos a
través de sólidos porosos, entre otros.
En la presente revisión bibliográfica, se encontró que la tensión superficial es una de las
propiedades menos estudiadas en esta área, afirmando con esto el poco interés que se ha dado a
esta propiedad, no considerando la importancia de la misma, a pesar de que su importancia radica
en el estudio de la zona de interfase y que hoy en día es requerida tanto en sustancias empleadas
en los sistemas de refrigeración como en muchas otras, para analizar la transferencia de calor en
superficies con flujo de gotas o burbujas.
Dentro de los estudios realizados en el campo de los refrigerantes, la obtención de tensión
superficial es realizada en la mayoría de los casos, utilizando el método de elevación capilar y en
la presente revisión bibliográfica sólo se encontró uno que utiliza el método de gota pendiente,
con el cual estudiaron perfluorocarbonos.
Debido a la importancia de las dos propiedades anteriormente citadas (densidad y tensión
superficial), se optó por el estudio de las mismas, en sustancias que se consideran como una
alternativa para reemplazar algunos fluidos refrigerantes que tienen elevado ODP.
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
C a p í t u l o
III
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41
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Capítulo 3: Trabajo Experimental
El material, sustancias de trabajo, herramienta y equipo disponible para poder llevar a cabo
cada uno de los experimentos, fue un punto importante que marcó los tiempos de avance y
como consecuencia delimitó el número de sustancias a estudiar, dando como resultado la
propuesta de estudiar la mezcla butano + R-22 + R-124, de la tabla 2.2 del capitulo dos,
decidiendo en particular estudiar las mezclas binarias butano + R-124 y butano + R-22, con
el fin de obtener información confiable que forme las bases de otro estudio futuro en el que
se podrá estudiar la mezcla ternaria. Se propuso también desarrollar el estudio experimental
de las propiedades termofísicas densidad y tensión superficial, en las mezclas binarias
anteriormente citadas en 3 distintas concentraciones (0.25, 0.5 y 0.75) fracción molar, para
cada mezcla y en un intervalo de (283.15 a 323.15) K de temperatura, analizando el
comportamiento de cada propiedad a (0.5, 1, 1.5, 2 y 2.5) MPa de presión para cada
temperatura.
3.1 Preparación de las mezclas binarias butano+R-124 y butano+R-22, con el método
de pesada
La preparación de las mezclas binarias butano+R-124 y butano+R-22, utilizadas a lo largo
de este trabajo experimental, se realizaron mediante el método de pesada, el cual consiste
en conocer la cantidad de masa que es suministrada a un recipiente, pesando las cantidades
vertidas en éste, a través de una balanza electrónica de alta precisión.
3.1.1 Descripción del equipo para preparar las mezclas binarias butano+R-124 y
butano+R-22, con el método de pesada La elaboración de las mezclas binarias, se realizó en un sistema que fue implementado en el
laboratorio de termodinámica del IMP. Este sistema constó de tres secciones, como se
muestra en la figura 3.1. En la primera sección, se colocaron las sustancias puras utilizadas
en la preparación de las mezclas, las cuales fueron un cilindro de R-124 1, un cilindro de
butano 2 y un cilindro de R-22 3; en la segunda sección, se adaptó un cilindro de muestra
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42
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
por cada sustancia pura, con el fin de poder trabajar con pequeñas cantidades de sustancia
4, se instaló un manómetro por cada cilindro de muestra 5 y una fuente de calentamiento
por cada cilindro de muestras 6; en la tercera sección, se instaló un indicador de presión
digital 7, el cilindro de mezclado 8, una fuente de enfriamiento 9, una línea de nitrógeno 10
y una bomba de vacío 11.
Figura 3.1. Equipo para realizar mezclas de sustancias altamente volátiles.
1. El cilindro de R-124, fue adquirido de la empresa Dupont, en presentación de 13.6 kg y
99.98 % de pureza.
8
7
4
SECCIÓN DE SUSTANCIAS
PURAS
R-124
N 2
BUTANO
R-221 32
SECCIÓN DE MANEJO DE
SUSTANCIAS PURAS
SECCIÓN DE MEZCLADO
6
5
10
9
11
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43
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
2. El cilindro de butano, fue adquirido de la empresa Matheson en presentación de 0.4 kg
y 99.99 % de pureza.
3. El cilindro de R-22 fue adquirido de la empresa Dupont en presentación de 13.6 kg y
99.98 % de pureza.
Los tres cilindros de sustancias puras, fueron colocados en un espacio apropiado, libre de
contaminación, con suficiente ventilación y por ningún motivo se expusieron o deberán
exponerse a temperaturas superiores a los 324 K, ya que éstas son las medidas de seguridad
sugeridas por el fabricante para evitar algún accidente.
4. Los cilindros de muestras de cada sustancia, permitieron manejar porciones adecuadas
de sustancia y a presiones elevadas según fue requerido, con la ventaja de que si se
llegase a contaminar, únicamente sería esta porción y no toda la sustancia.
5. Los manómetros colocados en cada cilindros de muestra, permitieron conocer la presión
que se estaba manejando de cada sustancia pura, éstos son de carátula y cuentan con
una escala de (0 a 3.792) MPa (0 a 550 lb/in2) y son marca DE WIT.
6. Las fuentes de calentamiento, ayudaron a elevar la presión de cada sustancia bajo
estudio, éstas fuentes son unas resistencias térmicas flexibles marca Thermoline, cuyas
características son 120 volts, 209 watts y trabajan hasta 505 K de temperatura.
7. El indicador de presión, marca Druck, modelo DPI 145, acoplado a un sensor con
capacidad para 1.034 MPa (150 lb/in2), permitió conocer la presión a la que se estaba
inyectando cada muestra en el cilindro de mezclado. Ambos, sensor e indicador de
presión, fueron calibrados con una balanza de presión hidráulica, la cual esta calibrada
y es trazable al CENAM. Los valores de esta calibración se muestran en la tabla A.3 y
en la figura A.3 del apéndice A. También se presenta el ajuste, el cual se obtuvo con
una desviación estándar de 1.2 x 10-4 MPa (0.02 lb/in2).
RAÚL ROMÁN AGUILAR
44
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
8. El cilindro de mezclado marca Hoke, modelo 3E1800, con capacidad para 150 cm3,
recibió cada una de las sustancias involucradas en las mezclas, además de que permitió
transportarlas para evaluar su masa en una balanza electrónica.
9. La fuente de enfriamiento, compuesta por una chaqueta de hielo, ayudó a que la entrada
de cada sustancia pura en el cilindro de mezclado, fuera más rápido y eficiente.
10. El nitrógeno ayudó a realizar un barrido de los residuos de sustancias que pudieron
quedar atrapados en las tuberías, efectuando así una adecuada limpieza. Éste, es
recomendado para limpiar las líneas en los sistemas de aire acondicionado y
refrigeración.
11. La bomba de vacío, marca Edwards, 115-120 V, 559.27 watts (¾ Hp), 60 Hz., ayudó a
extraer los gases existentes en las tuberías, con el fin de evitar alguna posible
contaminación de las sustancias.
La balanza electrónica mostrada en la figura 3.2, fue la empleada en esta investigación,
para llevar a cabo la evaluación de cantidad de masa de cada sustancia añadida al cilindro
de mezclado, en la preparación de la mezcla. La marca de esta balanza es Scientech, con
resolución de 0.001g.
Figura 3.2. Balanza electrónica para realizar la pesada de sustancias.
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45
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Las especificaciones de la balanza son:
- Marca: SCIENTECH
- Modelo: SP 1000
- Alcance de Medición: 1000 g
- Sensibilidad: 0.001 g
3.1.2 Procedimiento experimental para la preparación de mezclas
Antes de llevar a cabo la mezcla de sustancias, se cubrieron algunos puntos que se
consideraron importantes para tener el sistema en condiciones óptimas de funcionamiento,
como fue en primer lugar, la inyección de nitrógeno a todo el sistema para detectar fugas,
en intervalos de 0.689 MPa (100 lb/in2), hasta alcanzar una presión de 3.447 MPa (500
lb/in2) en el interior del sistema.
En segundo lugar se realizó una limpieza exhausta a todo el sistema, incluyendo el cilindro
de mezclado, válvulas, cilindros de muestra y tuberías auxiliares con acetona, realizando
después un barrido con nitrógeno para extraer cualquier partícula que pudiera haberse
quedado en el interior o que haya sido removida con la acetona, efectuando por último un
vacío a todo el sistema para eliminar cualquier gas o aire que estuviese en el interior del
sistema.
También, se limpió perfectamente el cilindro de muestras por la parte externa, con acetona
y después se secó con nitrógeno, cuidando que desde este punto hasta el termino de la
elaboración de la mezcla, no se le adhiriera alguna partícula, que afectara las mediciones al
realizar las pesadas.
Por último, se aseguró que la balanza, con la cual se efectuarían las pesadas, estuviera en
una mesa especial que garantizara estar libre de efectos externos (vibraciones, corrientes de
aire, temperaturas extremas) que alteraran las mediciones y procurando en todo momento
que estuviera libre de contaminación.
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46
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Una vez que se consiguieron las condiciones óptimas del sistema de mezclado, se procedió
a la elaboración de las mezclas, realizando primero un vacío en el cilindro de muestras por
un tiempo de 3 horas, posteriormente se desmontó y se pesó, tomando un mínimo de 8
lecturas, esperando en todos los casos la estabilización de la balanza, proceso que se realizó
con sumo cuidado, ya que de ello depende la validez de los resultados experimentales.
Después de haber pesado el cilindro de muestras en condiciones de vacío, se montó
nuevamente en el sistema de preparación de muestras y se procedió a trasvasar la primera
sustancia, observando la presión a la cual se estaba trasvasando.
Una vez introducida la primera cantidad de sustancia, se quitó el cilindro de muestras del
sistema de preparación de mezclas, procediéndose después a pesarla y tomar lecturas.
Durante este proceso, en ocasiones sucedió que no se alcanzó la cantidad de masa requerida
para poder elaborar la concentración deseada, procediéndose a montar nuevamente el
cilindro de mezclado en el sistema de preparación de muestras, introduciendo más
sustancia, en otros casos, al introducir la primera sustancia, se introdujo mayor cantidad que
la deseada, procediéndose en este caso a eliminar un poco de dicha sustancia del cilindro de
mezclado y mandándola a la línea de donde fue tomada, mediante pequeñas descargas.
Dado que el cilindro de muestra es un contenedor cerrado, sin escala, sin posibilidad de ver
hacia el interior, además de que se estaba trabajando con sustancias altamente volátiles y
que pueden estar en dos fases en un momento dado, dependiendo de las condiciones de
temperatura y presión a las que se encuentre dicha sustancia, este proceso se realizó a
prueba y error, hasta alcanzar la cantidad requerida de cada componente.
Una vez que se obtuvo la cantidad de sustancia requerida del primer componente, se
procedió a la toma de lecturas, de la misma manera en que se efectuaron las del cilindro en
condiciones de vacío. Al terminar las lecturas del cilindro de mezclado con el primer
componente, se colocó nuevamente en el sistema y se procedió a introducir la segunda
sustancia.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
47
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Para introducir la segunda sustancia, se aseguró primero que la presión de ésta, fuera mayor
a la contenida en el cilindro de mezclado, enfriando a éste con una chaqueta de hielo y
elevando la presión de la segunda sustancia, con una fuente de calentamiento, observando
las lecturas de presión en los respectivos manómetros.
En este proceso, sólo se podrá seguir inyectando parte de la misma sustancia al cilindro de
mezclado en caso de que falte, para completar la concentración deseada y por ningún
motivo se podrá intentar quitar parte de la segunda sustancia en caso de que se halla
excedido, ya que al hacerlo, se eliminaría también parte de la primera, echando a perder
todo el proceso.
Una vez contenida la cantidad de masa requerida de la segunda sustancia en el cilindro de
mezclado, se efectuó la toma de lecturas como en el caso del cilindro en condiciones de
vacío, obteniéndose de esta forma cada una de las mezclas binarias propuestas a estudiar y
cumpliéndose con el segundo objetivo particular planteado en el capítulo 1.
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48
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
3.2 Obtención experimental de la densidad en mezclas de R-22, R-124 y butano,
utilizando el método de tubo vibrante
En la presente investigación se utilizaron dos densímetros, uno para realizar pruebas
preliminares y otro para obtener la densidad de las mezclas R-22, R-124 y butano. Ambos
emplean el método de tubo vibrante, el cual consiste de un tubo que funciona como un
oscilador mecánico. El tubo es sujetado de un extremo y por el otro se mantiene oscilando,
como se ilustra en la figura 3.3, estas oscilaciones serán mayores o menores de acuerdo a la
densidad de la sustancia.
Tubo vibrante
Figura 3.3. Tubo vibrante.
3.2.1 Descripción del equipo utilizado en las pruebas preliminares.
Las pruebas preliminares, se llevaron a cabo con un densímetro marca Sodev que funciona
en un intervalo de temperatura de (273.15 a 373.15) K y sólo a presión atmosférica. Éstas,
permitieron conocer el funcionamiento, principio de operación, partes del equipo,
instrumentación necesaria y manejo del mismo.
El densímetro Sodev puede ser operado estática o dinámicamente, es decir, la sustancia de
trabajo puede estar estática en el interior del tubo o a flujo constante a través del mismo, en
ambos casos es necesario contar con dos sustancias de referencia, de densidad conocida,
con el fin de poder ajustar el equipo a las condiciones de trabajo y calcular la densidad de la
Salida de fluido muestra Entrada de fluido muestra
Oscilaciones
Salida de fluido térmico
del tubo Entrada de fluido térmico
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49
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
sustancia requerida, a partir de los datos de los períodos de resonancia que arroja el equipo.
La densidad de cualquier sustancia podrá obtenerse, siempre y cuando el valor de ésta, esté
entre los valores de las sustancias de referencia.
La ecuación que relaciona los períodos de oscilación con la densidad, en este densímetro es
la siguiente [58]:
3.1
2τρ BA+=
donde: ρ es la densidad, A y B son constantes que se determinan a partir de mediciones
realizadas con dos sustancias de referencia y τ es el período de oscilación. El desarrollo de
esta ecuación para obtener, ρ se presenta en el apéndice C.
Cada uno de los parámetros que intervienen en la obtención de la densidad de la sustancia
problema, se deben obtener a las mismas condiciones de temperatura, de lo contrario sería
erróneo el valor de densidad calculado.
Al igual que muchos otros aparatos, el densímetro marca Sodev requiere de otros
dispositivos periféricos para su adecuada utilización, con el fin de obtener de manera
confiable los datos de salida, a las condiciones requeridas. Estos dispositivos, como se
puede observar en la figura 3.4, son: computadora Rockwell, modelo DU-A 1; registrador
de períodos de oscilación Sodev, modelo DU-A 2; baño térmico de líquido marca Haake
FK 3 y termómetro Hewlett-Packard, modelo 2804 A, con resolución de ± 0.001 K 4.
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50
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Figura 3.4. Densímetro marca Sodev y sus dispositivos para determinar la densidad en función de temperatura.
1 La computadora Rockwell, modelo DU-A, capta los períodos de oscilación por medio de
un sensor e inicializa el tiempo para realizar las mediciones. Estos períodos, se normalizan
a niveles lógicos por medio de un circuito y la frecuencia es dividida entre 10 antes de
llegar al registrador de períodos de oscilación.
2 El registrador de períodos de oscilación Sodev, modelo DU-A, muestra los períodos
promedios, en los que el punto decimal de la medición mostrada, es determinado por un
microprocesador interno y es función del número de lecturas promedio.
3 El baño térmico de líquido marca Haake FK, mantiene la temperatura de trabajo en el
interior del tubo vibrante, por lo que la exactitud de las mediciones de temperatura,
dependerá de la estabilidad del baño.
4 El termómetro Hewlett-Packard, modelo 2804 A, cuenta con un sensor compuesto de un
cristal de cuarzo. Éste, registra la temperatura a la cual se están realizando las mediciones
con una resolución de ± 0.001 K.
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51
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Las especificaciones del densímetro marca Sodev, utilizado en las pruebas preliminares
son:
∗ Modelo: 03-D
∗ Volumen interno del tubo vibrante: 0.2 cm3
∗ Intervalo de temperaturas de trabajo: (273.15 a 373.15) K
∗ Únicamente trabaja a presión atmosférica
∗ Resolución de los datos de densidad: 1x10-4 g·cm-3
3.2.2 Trabajo preliminar utilizando el densímetro marca Sodev
El propósito de realizar este trabajo experimental preliminar, fue obtener experiencia en el
funcionamiento del equipo, adquirir habilidad por parte del investigador, conocer el
comportamiento de los componentes involucrados bajo diferentes condiciones de trabajo,
aunado a esto, permitió conocer la efectividad del método utilizado, la precisión del equipo
para la investigación planteada y comparar los datos obtenidos con los de literatura para
evaluar la calidad de los mismos, con la finalidad de obtener resultados confiables en la
investigación.
En este estudio preliminar, se determino la densidad del decano (C10H22) y dodecano
(C12H26) a presión atmosférica y a temperaturas de (298.15 y 313.15) K [59]. Las sustancias
de referencia que se emplearon para el ajuste de este densímetro fueron agua y nitrógeno.
Los resultados de este trabajo fueron comparados con los reportados por Robert A. Orwoll
and Paul J. Flory [60], obteniéndose un error relativo de 1.1703 % en decano y un 0.9124
% en dodecaco. En el apéndice D se presenta a detalle la comparación de los resultados y la
obtención de los errores relativos mencionados.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
52
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
3.2.3 Descripción del equipo para medir la densidad de las mezclas R-22+butano y R-
124+butano
Debido a que el R-22, R-124 y butano son sustancias muy volátiles, fue necesario realizar
una serie de adaptaciones a un equipo que utiliza un densímetro de altas presiones, de
manera que permitiera medir la densidad de dichas sustancias. Este equipo consta de un
densímetro de tubo vibrante marca Anton Para modelo DMA 512 y de un conjunto de
aparatos complementarios, indispensables para el funcionamiento del mismo.
El densímetro Anton Para utilizado, está diseñado para trabajar en un intervalo de presiones
de (0 a 70) MPa y temperaturas entre (263 y 423) K. El tubo vibrante de este densímetro
está fabricado en acero inoxidable de alta resistencia, el cual no adsorbe sustancias.
La ecuación que relaciona los períodos de oscilación con la densidad en el densímetro
Anton Paar, según el manual del fabricante es la siguiente [61]:
3.2 ),(),(),(),( 2 pTBpTpTApT −= τρ
donde: ρ (T,p) es la densidad de la sustancia problema, a una temperatura y presión en
particular; A (T,p) y B (T,p) son constantes que se determinan a partir de dos sustancias de
referencia, a las mismas condiciones de temperatura y presión de la sustancia problema, y τ
(T,p) es el período de oscilación de la sustancia problema, obtenido con el densímetro, a la
temperatura y presión a estudiar.
Es indispensable que los datos de densidad de las sustancias de referencia, se encuentren
disponibles en la literatura a las mismas condiciones de presión y temperatura de las
sustancias a estudiar, de lo contrario no sería correcto el valor de densidad calculado.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
53
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Debido a que no se cuenta con información suficiente de sustancias, cuya densidad haya
sido medida en función de temperatura y presión, que puedan ser tomadas como sustancias
de referencia, en un amplio intervalo de densidades y que abarquen las sustancias que se
propusieron en esta tesis, las cuales superan al agua aproximadamente en un 40 por ciento
su densidad, fue necesario introducir un método de calibración diferente al que
normalmente se utiliza o que establece el manual del fabricante, este método es el de
Lagourette y colaborares 1992 [61] [53].
La ecuación propuesta por Lagourette y colaboradores, que relaciona los períodos de
oscilación del tubo vibrante con la densidad, en función de temperatura y presión es la
siguiente:
[ ]),(),()()1.0,(
)1.0,(),(),( 2222 pTpT
TTTpTpT W
VW
WW ττ
ττρρρ −
−+= 3.3
donde: ),( pTρ es la densidad de la sustancia problema a la temperatura y presión particular
que se desea conocer, ),( pTWρ es la densidad del agua a las mismas condiciones de
presión y temperatura de la sustancia problema, )1.0,(TWρ es la densidad del agua a la
misma temperatura de la sustancia problema y presión atmosférica, )1.0,(TWτ es el período
de oscilación del agua obtenido con el densímetro a la misma temperatura de la sustancia
problema y presión atmosférica, )(TVτ es el período del tubo vibrante contenido en el
densímetro en condiciones de vacío y temperatura de la sustancia problema, ),( pTτ es el
período de la sustancia problema obtenido a la temperatura y presión especifica deseada
que se obtiene con el densímetro y ),( pTWτ es el período del agua obtenido con el
densímetro a las mismas condiciones de presión y temperatura de la sustancia problema.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
54
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
De entre de los equipos periféricos con los que cuenta el densímetro Anton Paar DMA 512
para su adecuada utilización, es un módulo de evaluación de períodos de oscilación marca
Anton Paar, modelo DMA 60, como se observa en la figura 3.5. En esta figura se muestra
también un densímetro marca Anton Paar, modelo DMA 602 H, para presiones cercanas a
la atmosférica, cuyo tubo vibrante está fabricado en vidrio.
Módulo de evaluación de períodos DMA 60
Densímetro DMA 602 H
Densímetro DMA 512
Figura 3.5. Densímetro Anton Paar modelo DMA 512 para determinar la densidad a altas presiones y temperaturas, mediante el método de tubo vibrante.
En el laboratorio del área de investigación en Termofísica del IMP donde se realizó este
trabajo, es la primera vez que se utiliza el método de Lagourette y colaboradores, y que se
trabaja con sustancias altamente volátiles; por lo que se está contribuyendo así para trabajos
futuros que se deseen realizar con este densímetro bajo condiciones similares de
temperatura y presión a las aquí realizadas.
Otros dispositivos periféricos para la adecuada utilización del densímetro, como se puede
observar en el diagrama esquemático de la figura 3.6, además del módulo de evaluación de
períodos de oscilación indicado con el número 1, son un baño térmico controlador de
temperatura, marca Polyscience, 2 y un termómetro digital Systemteknik, modelo 1220,
con sensor de temperatura de resistencia eléctrica de platino 3.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
55
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Asimismo, dado a que había que trabajar en un intervalo de presiones de 0.5 a 2.5 MPa y
con las sustancias propuestas en esta investigación, las cuales son altamente volátiles, hubo
que integrar una serie de modificaciones que permitiera llevar a cabo las mediciones de
dichas sustancias, para ello se implementó una serie de tuberías y válvulas de alta presión
en acero inoxidable 4, también se incluyó un indicador de presión digital 5, el cual funciona
a través de un sensor de presión 6, y se implementó una línea con nitrógeno 7, una bomba
de vacío 8, un cilindro de toma de muestras 9, y como primer mecanismo pensado para
incrementar la presión en el interior del sistema para alcanzar las presiones de medición
deseadas, se utilizó una bomba de inyección manual 10 y dos cilindros con interfase de
mercurio 11.
5 83
7 6
1
N 2 Densímetro DMA 512
4
Figura 3.6. Diagrama esquemático del densímetro DMA 512 con los dispositivos necesarios para determinar la densidad a altas presiones y temperaturas.
1 El módulo de evaluación de períodos de oscilación DMA 60 marca Anton Paar, analiza el
número de oscilaciones realizadas por el tubo vibrante en un determinado tiempo y entrega
un resultado promedio de éstos, con una resolución de 1x10-6.
9
2
Mercurio
11 10
Aceite
RAÚL ROMÁN AGUILAR
56
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
2 El baño térmico de líquido, marca PolyScience, permite mantener y controlar la
temperatura en el interior del tubo vibrante, con la finalidad de realizar mediciones exactas
a una temperatura requerida. Este baño, permite ajustar la temperatura hasta en centésimas
de grado, lo cual evita grandes fluctuaciones o inestabilidades en el sistema debido a la
temperatura.
3 El termómetro Systemteknik, registra las lecturas que son captadas por un sensor de
temperatura tipo bayoneta, con resistencia de platino, después mediante un transductor
interno, las señales son convertidas en datos de salida, expresados con una resolución de ±
0.01 K. Los valores de calibración de este termómetro, se presentan en el apéndice B.
4 El arreglo de tuberías y válvulas, fue necesario para conectar todos los dispositivos que
intervienen en los experimentos y tanto tuberías como válvulas son de acero inoxidable de
alta resistencia de 3.175 mm (1/8 de pulgada) de diámetro nominal.
5 El indicador de presión es un equipo marca Druck, modelo DPI 145, capaz de registrar
lecturas de presión hasta la tercera cifra decimal según el sensor que esté operando.
6 El sensor de presión es marca Druck, con capacidad para 6.8947 MPa (1000 lb/in2) y su
función es sensar las fluctuaciones de presión en el interior del tubo vibrante.
Este sensor, junto con el indicador de presión 5, fue calibrado con una balanza de presión
hidráulica, la cual esta calibrada y es trazable al CENAM. Los valores de esta calibración
se muestran en la tabla A.1 y en la figura A.1 del apéndice A. También se presenta el
ajuste, el cual se obtuvo con una desviación estándar de 6.8 x 10-4 MPa (0.1 lb/in2).
7 La línea de nitrógeno, provee de nitrógeno al equipo para realizar la limpieza necesaria en
todas las tuberías del sistema, al cambiar de una muestra a otra.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
57
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
8 La bomba de vacío, marca Edwards, 115-120 V, ¾ Hp, 60 Hz, facilitó la limpieza de
todas las tuberías y proporcionó el vacío adecuado que es requerido tanto para evitar la
contaminación de las muestras con oxígeno o algún otro gas, como para facilitar la
introducción de muestras al tubo vibrante, así como para determinar el valor de )(TVτ
requerido en la ecuación de Lagourette y colaboradores.
9 El cilindro de toma de muestras marca Hoke, modelo 3E1800, con capacidad para 150
cm3, almacena la sustancia problema que posteriormente será inyectada al densímetro para
llevar a cabo las mediciones necesarias. El cilindro es de acero inoxidable, lo cual permite
trabajar a alta presión y libre de contaminación de cualquier material.
10 La bomba de inyección manual, permite incrementar la presión en el interior del
sistema, esta bomba está constituida de un cilindro-pistón, el cual es desplazado mediante
un tornillo sinfín y una manivela, de manera que el pistón empuja un fluido hidráulico hacia
el interior de los cilindros de interfase con el fin de transmitir la presión ejercida en el
pistón.
11 Los cilindros de interfase contienen mercurio en su interior, el cual hace la función de
interfase para transmitir la presión proveniente del fluido hidráulico de la bomba de
inyección e impedir que las muestras contenidas en el interior del tubo vibrante se
contaminen con el fluido contenido en el interior de la bomba de inyección. Los cilindros
fueron construidos en acero inoxidable 316.
Las especificaciones del densímetro Anton Paar son:
∗ Modelo: MDA 512 P
∗ Volumen interno del tubo vibrante: aproximadamente 1cm3
∗ Intervalo de temperaturas de trabajo: (263 a 423) K
∗ Intervalo de presiones de trabajo: (0 a 70) MPa
∗ Resolución de los datos de densidad: 1x10-6 g·cm-3
RAÚL ROMÁN AGUILAR
58
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
En la figura 3.7, se muestran las primeras adaptaciones del equipo para medir la densidad
de sustancias a altas presiones y temperaturas.
Figura 3.7. Equipo para medir densidad de sustancias a altas presiones y temperaturas
utilizando el densímetro Anton Paar DMA 512.
Durante los primeros intentos para incrementar la presión en el sistema, usando la bomba
de inyección manual y los cilindros de interfase de mercurio, se originaron algunos
problemas de limpieza, y por lo tanto de incertidumbre de si era únicamente la sustancia la
que se deseaba medir, la que estaba en el interior del tubo vibrante. Esto, debido a que
durante el proceso de liberar presión y regresar el mercurio a los cilindros de interfase,
pequeñas partículas de éste, se quedaban suspendidas al circular por las conexiones de
tuberías y válvulas.
No obstante, que la limpieza se daba con gran cuidado a todo el sistema cuando se
introducía una nueva sustancia, era difícil saber si ya estaban completamente limpias todas
las tuberías, propiciando en ocasiones que se decidiera el desarme completo de las líneas
para limpiarlas perfectamente, observando que efectivamente la limpieza que se daba a
todo el conjunto era insuficiente y tenía que limpiarse accesorio por accesorio, abarcando
gran cantidad de tiempo (3.5 horas aproximadamente en cada cambio de sustancia) sólo en
realizar la limpieza. Concluyendo con esto que la interfase de mercurio no era la más
adecuada para utilizarse en la transmisión de presión hacia el sistema.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
59
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Buscando otro mecanismo para presurizar el sistema a las condiciones requeridas, se
recurrió a las propiedades de las sustancias con las que se estaba trabajando, es decir,
mediante efectos térmicos en el cilindro que contiene la muestra a estudiar se pudieron
alcanzar las presiones deseadas en fase líquida, en el interior del tubo vibrante. Sin
embargo, no sólo el efecto térmico se utilizó para incrementar la presión, sino que también
fue necesario utilizar un par de válvulas que permitieran regular el fluido interno y
estabilizar la presión, ya que cuando se trabajaba únicamente con el efecto térmico, se
presentaban fluctuaciones de presión muy grandes en el interior del sistema.
Esta idea de aprovechar las propiedades de las sustancias, permitió eliminar los problemas
que se originaban por el estancamiento del mercurio en algún punto del sistema y que
pudiese llegar hasta el tubo vibrante afectando las mediciones, además de que ayudó al
ahorro de una gran cantidad de tiempo, reduciéndose aproximadamente a 0.5 horas el
tiempo invertido en la limpieza.
En la figura 3.8 se muestra el arreglo final del equipo para obtener la densidad de sustancias
altamente volátiles, incluyendo las sustancias propuestas en esta tesis, cumpliendo así con
el tercer objetivo planteado en el capítulo 1. En este arreglo se observa que se eliminó la
parte de la bomba manual y las celdas de interfase, y en su lugar se anexaron dos fuentes de
calor indicadas con el número 1 y dos válvulas para regular la sustancia indicadas con el
numero 2.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
60
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Figura 3.8. Diagrama esquemático del densímetro DMA 512.
3.2.4 Procedimiento para la obtención de la densidad de las sustancias propuestas en
esta investigación, utilizando el densímetro Anton Paar DMA 512 y el método de
Lagourette y colaboradores
Uno los puntos que se cubrieron durante el desarrollo del experimento, fue que cada una de
las partes que componen el equipo a operar, tuvieran las condiciones adecuadas de
funcionamiento, esto es, lugar de trabajo adecuado (libre de temperaturas extremas,
sustancias contaminantes, vibraciones), capacidad de operación requerida, calibración
actualizada y compatibilidad de los componentes, entre otros, a fin de minimizar los errores
que pudieran producirse y que propiciaran efectos negativos en las mediciones.
En lo que respecta al densímetro utilizado en este trabajo, se evitó por completo la
contaminación en el interior del tubo vibrante y de las sustancias que se midieron,
realizándose una limpieza exhaustiva de todo el sistema con acetona y nitrógeno. La
sustancia de limpieza, se eligió de acuerdo al tipo de residuo a eliminar, y entre las que se
1
Densímetro DMA 512
2
N 2 1
RAÚL ROMÁN AGUILAR
61
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
recomienda usar está la acetona, tolueno, etanol, agua y por último se recomienda generar
vacío en el interior del sistema por un mínimo de 3 horas para eliminar la existencia de
gases extraños o aire.
Una vez que se adquirieron las condiciones óptimas de funcionamiento del equipo, se inicio
el proceso para llevar a cabo las obtención de densidad de las sustancias aquí propuestas,
encendiendo todos los equipos como son el densímetro de tubo vibrante, el contador de
períodos de oscilación, el baño térmico, el sensor de temperatura y el sensor de presión,
como primer punto.
Después de haber encendido todos los componentes del equipo, se eligió la temperatura de
medición en el baño térmico y se dejó que todo el sistema alcanzara una temperatura
constante.
Al tiempo que se dejaba al equipo alcanzar la temperatura de trabajo, se trasvasó la
sustancia a medir, desde el cilindro de muestras hasta el interior del sistema que incluye el
tubo vibrante, en la fase correspondiente a medir, de la siguiente manera: dado que las
mediciones se harían en fase líquida, se enfrió el sistema que contiene el tubo vibrante a
una temperatura menor que la que corresponde a la presión de vapor de la sustancia
contenida en el cilindro de muestras, con el fin asegurar el estado líquido de la sustancia e
inmediatamente después se hizo fluir la sustancia al interior del sistema, asegurando que no
existiera ninguna contaminación durante el transvase y que fuera la cantidad de sustancia
necesaria para las mediciones programadas.
El propósito de mantener la fase de la sustancia a medir, en el interior del tubo vibrante, es
evitar la existencia de dos fases, ya que de lo contrario, los valores de densidad serian
erróneos porque no se sabría que cantidad tanto de líquido como de vapor se estaría
midiendo, ya que ambas fases tienen densidades completamente diferentes. Por eso se
recomienda que si se desea medir la densidad de líquido, la sustancia siempre deberá estar
en fase líquida en el interior del tubo vibrante y lo mismo cuando se requiera medir la
densidad en fase vapor.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
62
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Durante y después del trasvase del tipo de sustancias aquí estudiadas, se puso mucha
atención en las lecturas de presión, ya que estas sustancias reaccionan muy rápido con la
temperatura, incrementando bruscamente la presión en el interior del sistema, pudiendo en
algún momento exceder la presión máxima de trabajo de uno de los componentes que
conforman el equipo, generando algún accidente.
Una vez trasvasada la sustancia a medir en el interior del tubo vibrante y alcanzada la
temperatura de trabajo, con su correspondiente equilibrio térmico, se procedió a alcanzar la
presión de trabajo en el interior del sistema, mediante las fuentes de calentamiento,
procurando también llevar al mínimo las fluctuaciones de presión con las válvulas
colocadas especialmente para regular la sustancia contenida en el interior del sistema.
Después de haber obtenido las condiciones óptimas de temperatura y presión, se procedió a
observar las lecturas en los períodos de vibración, vigilando que fueran estables y que
únicamente variaran en la última cifra. En este proceso se observó que cualquier
inestabilidad de temperatura o presión de trabajo, se veía reflejada notablemente en las
diferentes lecturas que presentaba el contador de períodos.
Una vez que se observó estabilidad en los períodos de vibración, temperatura y presión, se
procedió a realizar la toma de lecturas, anotando los valores de los períodos de vibración, la
temperatura y presión en el interior del tubo vibrante y la presión atmosférica en cada toma
de lecturas.
En la figura 3.9 se muestra un diagrama de flujo, que describe de forma clara el proceso
para determinar la densidad de las sustancias propuestas en esta tesis, utilizando el
densímetro de tubo vibrante Anton Paar.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
63
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Figura 3.9. Diagrama de flujo para representar el proceso de obtención de densidad de las sustancias propuestas en esta tesis.
Inicio
Encender todos los equipos
Fin
SI
NO
Contador de períodos
Trasvasar la sustancia al interior del sistema
Elegir la temperatura de trabajo
No exceder la presión de trabajo de los componentes
¿Se controló la temperatura de trabajo?
SI
NO Ajustar la temperatura
¿Se controló la presión de trabajo?
Regular la presión con las válvulas
¿Hay estabilidad en los períodos de oscilación?
Estabilizar la temperatura y la presión
NO
SI
Tome lecturas de los períodos de oscilación, temperatura y presión
Baño térmico Densímetro Termómetro Manómetro
RAÚL ROMÁN AGUILAR
64
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Dado que el método de Lagourette, comprende la medición de los períodos del tubo
vibrante en condiciones de vacío, a cada temperatura que se desea medir la sustancia
problema y la medición de los períodos del tubo vibrante con agua, a las mismas
condiciones de temperatura y presión, primero se procedió a realizar vacío en el sistema por
un tiempo de 4 horas y se obtuvo una presión de 0.0001 MPa, tomando las lecturas de los
períodos a las temperaturas planteadas en el capítulo 2, como se muestra en la tabla 3.1
Tabla 3.1. Períodos (τ /ciclos·segundo-1) del tubo vibrante en condiciones de vacío a diferentes temperaturas,
medidos con el densímetro Anton Paar.
Temperatura/K P/MPa 283.15 293.15 303.15 313.15 323.15 0.0001 6.89074 6.90465 6.918186 6.932488 7.947014
Después se inyectó agua al sistema, y se tomaron lecturas de los períodos, en los intervalos
de temperatura y presión planteados, como lo muestra la tabla 3.2. Tanto las mediciones de
los períodos en condiciones de vacío como con agua, se realizaron con el equipo mostrado
en la figura 3.7 y se siguió el procedimiento del diagrama de bloques de la figura 3.9. Tabla 3.2. Medición de períodos (τ /ciclos·segundo-1) del tubo vibrante con agua a diferentes presiones y temperaturas, medidos con el densímetro Anton Paar.
Temperatura/K
P/MPa 283.15 293.15 303.15 313.15 323.15 0.5 7.600288 7.614856 7.629132 7.642704 7.656021
1 7.600634 7.615182 7.629210 7.642920 7.656258 1.5 7.600871 7.615413 7.629581 7.643130 7.656441
2 7.601101 7.615623 7.629804 7.643344 7.656671 2.5 7.601311 7.615843 7.629886 7.643573 7.656905
Presión Atmosférica medida (0.077) 7.600061 7.614548 7.628932 7.642480 7.655785
Finalmente, con los datos de los períodos del equipo en condiciones de vacío, los períodos
del tubo vibrante con agua a las condiciones de trabajo, los valores de los períodos de la
sustancia problema, presentados en el apéndice H y los valores de densidad del agua,
reportados en la literatura por Kell y Whalley [62], a las mismas condiciones de trabajo
aquí planteadas, se aplicó la ecuación de Lagourette, para calcular los valores de densidad
que se presentan en el capitulo siguiente, de las sustancias propuestas a cada temperatura y
presión fijada, cumpliendo así el cuarto objetivo particular planteado en el capítulo 1.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
65
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
3.3 Obtención experimental de tensión superficial en mezclas de R-22, R-124 y butano,
utilizando el método de gota pendiente
El método de gota pendiente analiza las fuerzas de equilibrio que ocurren cuando una gota
está pendiendo de la punta de un capilar de diámetro conocido, de manera que este
fenómeno es relacionado con la forma que toma la gota en el equilibrio y mediante un
análisis de sus dimensiones, se obtiene la tensión superficial del sistema de concentración
conocida, a temperatura constante [63].
Uno de los requerimientos esenciales del método de gota pendiente, para obtener
experimentalmente la tensión superficial de equilibrio de cualquier sustancia, es la
presencia de datos de densidad de las fases en equilibrio, a las mismas condiciones de
temperatura y presión de dichas sustancias.
La ecuación que relaciona la forma de la gota, bajo condiciones de equilibrio con la tensión
superficial, es la obtenida por Laplace-Young y se muestra a continuación [64]:
( )H
dg e2ργ ∆
= 3.4
donde: γ es la tensión superficial, ρ∆ es la diferencia de densidad entre el líquido bajo
estudio y el aire, es la aceleración de la gravedad, es el diámetro máximo de la gota
como se puede observar en la figura 3.10 y 1/H es el factor de forma.
g ed
Figura 3.10. Dimensiones de una gota bajo
condiciones de equilibrio.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
66
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
En la figura 3.10 es el diámetro medido a una distancia igual a desde la base de la
gota y es requerido para obtener el factor de forma. El desarrollo para obtener la ecuación
3.4, para obtener valores de
Sd ed
γ se incluye en el apéndice E.
3.3.1 Descripción del equipo de gota pendiente original.
El equipo usado en la presente investigación es un equipo comercial de la empresa
FirstTenǺngstroms modelo FTA 200, diseñado para trabajar a condiciones de presión
atmosférica y cuenta con 8 componentes principales como lo muestra la figura 3.11, los
cuales son: Cámara de video de alta resolución, marca Sanyo, modelo VCB-3512T
identificada con el número 1; motor de avance y retroceso para la inyección de fluido 2,
Lámpara para observar la imagen 3, Termómetro digital, marca Systemteknik con
resistencia de platino 4; control de temperatura 5, Computadora personal 6, Base
antivibratoria para mediciones ópticas 7 y baño térmico de resistencia eléctrica 8.
Figura 3.11. Equipo para medir tensión superficial dinámica y estática
a condiciones de presión atmosférica.
1. La cámara de video marca Sanyo de alta resolución, modelo VCB-3512T, tiene la
finalidad de captar la imagen de cada gota formada con el equipo de gota pendiente.
Ésta, cuenta con tres controles, de los cuales dos son para ajustar la imagen de acuerdo
a la distancia del lente y una para ajustar la imagen en cuanto al brillo.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
67
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
2. El motor avance y retroceso para la inyección de fluido, es controlado por el software
del equipo. Éste inyecta volúmenes de fluido muy pequeños a través de una jeringa, de
tal manera que permite formar gotas o burbujas según el método empleado (gota
pendiente o gota ascendente) a través de una aguja de diámetro conocido. Las agujas
son de acero inoxidable, clasificadas por colores y de apenas unos cuantos mm de
diámetro. La clasificación de éstas puede observarse en la tabla del apéndice F.
3. La lámpara es muy importante para observar las imágenes, además de que ayuda a
obtener buena calidad de las mismas. Sin ésta, las imágenes no podrían ser observadas.
4. El termómetro digital, marca Systemteknik, registra las lecturas que son captadas por un
sensor de temperatura tipo bayoneta, con resistencia de platino, después mediante un
transductor interno, las señales son convertidas en datos de salida, expresados con una
resolución de ± 0.001 K. Los valores de calibración de este termómetro, se presenta en
el apéndice A.
5. El control de temperatura, con intervalo de ajuste de (173.15 a 1123.15) K, ajusta y
regula la temperatura a la cual se desean realizar las mediciones. La empresa de
construcción es Cole Parmer y el número de catálogo es BA-2155-56.
6. La computadora personal, contiene el software que captura y procesa las imágenes
tomadas por la cámara y mediante una serie de cálculos que relacionan la ecuación de
Laplace-Young se obtienen una serie de valores de tensión superficial, el valor medio
de la serie y la desviación estándar. El número total de valores en la citada serie es
seleccionado por el usuario del equipo. El programa utilizado por el software se
denomina FTAvideo y es proporcionado por la empresa FirstTenǺngstroms.
7. La base antivibratoria para mediciones ópticas, está diseñada para contener la cámara
de video de alta resolución y el motor de avance y retroceso. Ésta ayuda a que queden
completamente alineados todos los componentes y a un nivel completamente
RAÚL ROMÁN AGUILAR
68
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
horizontal, también evita vibraciones durante la formación de las gotas pendientes y
permite desplazar libremente la cámara cuando es requerido.
8. El baño térmico, construido en acero inoxidable, proporciona la temperatura a la cual se
desean realizar las mediciones sin ninguna complicación en la toma de imágenes, ya
que cuenta con un par de mirillas, alineadas una con otra y construidas en vidrio
especial, que permiten la visibilidad de la aguja y gota sin ninguna obstrucción. Éste,
funciona mediante unas resistencias eléctricas controladas por un regulador eléctrico de
temperatura.
3.3.2 Trabajo preliminar utilizando el equipo comercial marca FirstTenǺngstroms
Para la adquisición de los conocimientos necesarios del equipo comercial marca
FirstTenǺngstroms, manejo y operación del mismo, para medir la tensión superficial
empleando el método de gota pendiente, fue necesaria la participación del investigador
Jacinto Águila Hernández experto en este tema. Posteriormente se realizó un trabajo
preliminar que consistió en determinar la tensión superficial de la N-Metil Dietanol Amina
(MDEA) a (303.15, 313.15 y 323.15) K de temperatura y presión atmosférica [59],
comparando los resultados con los con los reportados por Álvarez y colaboradores (1998)
y Aguila Hernández (2004) [65], obteniéndose un error relativo de (1.53 y 0.03) % a 303 K,
(0.06 y 0.12) a 313 K y (0.43 y 0.19) % a 313 K, respectivamente. La calibración del tensiómetro en este trabajo, se llevó a cabo empleando agua (bidestilada
y desionizada), a las mismas condiciones de temperatura de la sustancia problema,
comparando los resultados de calibración, con los reportados por Riddick y Bunger (1972)
[66], Ramírez-Verduzco (2001) y los reportados por Águila-Hernández (2004) [65],
obteniéndose un error relativo de (0, 0.14 y 0.27) % a 303 K, (0.02, 0.15 y 0.11) % a 313 K
y (0.07, 0.18 y 0.27) % a 323 K, respectivamente.
En el apéndice G se presenta a detalle la comparación de los resultados de tensión
superficial y la y la obtención de los errores relativos mencionados.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
69
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
3.3.3 Modificación del equipo de tensión superficial que utiliza el método de gota
pendiente a presión atmosférica, para medir la tensión superficial de las sustancias
propuestas en esta tesis y a presiones de (0.5 a 2.5) MPa
Uno de los objetivos particulares de esta investigación fue modificar el equipo de tensión
superficial que utiliza el método de gota pendiente a presión atmosférica, de modo que
permitiera medir la tensión superficial de sustancias altamente volátiles, incluyendo las
propuestas en esta tesis y a diferentes presiones. Para esto se realizaron una serie de
modificaciones del equipo de tensión superficial original, reemplazando la mayoría de sus
componentes, por aquellos que se adaptaran a las nuevas condiciones de trabajo.
Se cambió la mesa para mediciones ópticas, la lámpara para observar las imágenes, el baño
térmico de resistencia eléctrica y el mecanismo de inyección de fluido para formación de
gotas, por una serie de componentes que permitieron mantener las sustancias a analizar en
estado líquido y a presiones superiores a la atmosférica, esto para obtener la tensión
superficial de dichas sustancias, utilizando el método de gota pendiente.
Las modificaciones del equipo se desarrollaron en una serie de etapas que permitieron ver
las deficiencias o limitaciones que se iban teniendo a los largo de este trabajo, obteniendo
cada vez mejores resultados de la tensión superficial, al comparar éstos con los pocos datos
reportados en la literatura.
En un principio, como se puede observar el la figura 3.12, se instaló una celda metálica, de
acero inoxidable, con ventanas de cristal de borocilicato, para alta presión indicado con el
número 1; un cilindro de toma de muestra, de acero inoxidable 2; un arreglo de válvulas de
acero inoxidable, en las que se incluye una válvula micrométrica 3; un tanque de isobutano,
para realizar pruebas preliminares 4; un capilar de acero inoxidable de 1.6 mm de diámetro
externo 5, un baño térmico de aire de convección forzada compuesto por una lámpara
incandescente y un ventilador introducidos en un contenedor de acrílico 6, una lámpara
especial, para observar las imágenes 7 y un indicador digital de presión con un sensor de
3.447 MPa (500 lb/in2) de alcance 8. La mesa antivibratoria para mediciones ópticas fue
RAÚL ROMÁN AGUILAR
70
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
reemplazada por una plataforma 9 y la cámara de video de alta resolución del equipo
comercial FirstTenǺngstroms se fijó a una base adicional, con el fin de evitar movimientos
que pudieran perjudicar la toma de imágenes 10 y por último se instaló una bomba de vacío
11.
Figura 3.12. Primera versión del equipo de tensión superficial construido en esta investigación.
1. La celda de alta presión como su nombre lo indica, permite trabajar a altas
presiones siendo su capacidad máxima de trabajo de 3.4 MPa. Además tiene la
función de contener un tubo capilar en su interior para poder generar gotas de la
sustancia y poder captar las imágenes, sin ninguna complicación ya que cuenta con
un par de ventanas de cristal de borocilicato de 10 mm de espesor. Esta celda está
construida por tres bloques de acero inoxidable de 15 mm de espesor, acoplados
con tornillos de 6.35 mm de diámetro de acero inoxidable.
2
4
Isobutano
3
1
5
9
78
11 6
10
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71
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
2. El cilindro de acero inoxidable de toma de muestra marca Hoke, modelo 3E1800,
con capacidad para 150 cm3, tiene la finalidad de contener la sustancia que será
utilizada en el experimento y permite manejar diferentes presiones, evitando así
dañar el envase del cilindro original de la sustancia, ya que los cilindros tienen una
presión y temperatura máxima por cuestiones de seguridad antes de ocurrir algún
accidente.
3. Las válvulas utilizadas en este trabajo, fueron tipo aguja, marca Hoke y Whitey, de
acero inoxidable, éstas se utilizaron para aislar ciertas partes del sistema y también
de regular el flujo según fue necesario. Entre éstas, se incluyó una válvula
micrométrica antes de la entrada a la celda de alta presión y del capilar, para tener
un control más preciso del flujo, logrando así alcanzar a formar las gotas de la
sustancia analizada.
4. La sustancia utilizada para iniciar las pruebas del trabajo experimental fue
isobutano. Éste se adquirió en presentación de 0.4 kg, con 99.9 % de pureza, de la
empresa Matheson. El tanque contenedor de esta sustancia soporta una temperatura
máxima de 318 K.
5. El tubo capilar, de 1.6 mm de diámetro exterior, se seleccionó específicamente para
trabajar con isobutano y fue una de las herramientas más importantes dentro del
trabajo experimental para crear las gotas y obtener la tensión superficial. El
diámetro de éste fue el óptimo para la formación de las gotas pendientes de éste
hidrocarburo.
6. Hasta este punto se utilizó un baño térmico de aire con paredes de acrílico de 700
mm de ancho por 600 mm de largo y 6.35 mm de espesor, cuya fuente de calor fue
una lámpara incandescente de 200 watts, controlada por un regulador eléctrico de
temperatura, marca YSI, modelo 72, haciendo circular el aire mediante un
ventilador para homogeneizar la temperatura en todo el compartimiento.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
72
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
7. La lámpara utilizada para iluminar las diferentes gotas pendientes de isobutano, es
marca Cole Parmer, modelo 9741-50, cuyas características son 120 volts de
corriente alterna, 60 hertz y 200 watts; especial para poder observar las gotas sin
problemas de reflejos ya que cuenta con un regulador de intensidad luminosa. Ésta
sustituye a la lámpara original del equipo First Ten Angstroms proporcionando la
iluminación adecuada para este tipo de mediciones.
8. El indicador de presión empleado es un equipo marca Druck, modelo DPI 145, con
un sensor de presión marca Druck, con capacidad para 3.447 MPa (500 lb/in2), su
función es sensar las fluctuaciones de presión en el interior de la celda de
mediciones.
El sensor, acoplado al el indicador de presión, fue calibrado con una balanza de presión
hidráulica, la cual esta calibrada y es trazable al CENAM. Los valores de esta calibración
se muestran en la tabla A.2 y en la figura A.2 del apéndice A. También se presenta el
ajuste, el cual se obtuvo con una desviación estándar de 2 x 10-4 MPa (0.03 lb/in2).
9. La plataforma empleada, sustituyó a la mesa antivibratoria original de manera
extraordinaria. Esta plataforma fue adecuada para contener todos los elementos
anteriormente descritos, además de los tanques de sustancias refrigerantes y
tuberías auxiliares para llevar a cabo todos los experimentos.
10. La base adicional a la plataforma utilizada, es requerida para colocar la cámara de
video y evitar cualquier movimiento de la misma, además de poder maniobrarla
libremente. Esta base es de características y material semejante a la mesa original
de mediciones ópticas del equipo FirstTenǺngstroms.
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73
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
11. La bomba de vacío marca Edwards, 115-120 V, 559.27 watts (¾ Hp), 60 Hz.,
ayudó a realizar un vacío de todo el sistema, sacando los gases existentes en el
interior del mismo, evitando así la contaminación de sustancias.
En la figura 3.13, se muestra la celda de alta presión y algunos otros componentes en el
proceso inicial de construcción del equipo, para medir tensión superficial de sustancias
altamente volátiles.
Lámpara incandescente
Celda de alta presión
Regulador de presión Tanque de
isobutano
Figura 3.13. Equipo de alta presión para medir tensión superficial en la fase inicial de construcción.
Debido a los problemas que representaba mantener una temperatura constante en el interior
de la celda y de la formación de gotas de la sustancia problema, bajo las condiciones
descritas en la versión anterior, se aisló el contenedor de acrílico con un material aislante
tipo refractario, de lana y fibra de vidrio 1, se instaló una tubería adicional para crear una
contra presión en la celda de equilibrio 2 y se anexó una tubería de desfogue de presión 3
como lo muestra la figura 3.14.
RAÚL ROMÁN AGUILAR 74
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Isobutano
1
2
3
Figura 3.14. Segunda versión del equipo de tensión superficial.
1. El aislante tipo refractario, de lana y fibra de vidrio, fue colocado en la parte interna
del compartimiento de acrílico, éste permitió alcanzar el equilibrio térmico en
menor tiempo y mantener un mejor control de la temperatura, además de obtener
temperaturas más elevadas en el interior del compartimiento.
2. La tubería anexada, ayudó a generar una contra presión en la celda de medición,
logrando que la presión no cayera rápidamente y poder mantener la gota el tiempo
necesario para obtener un número adecuado de imágenes.
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75
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3. La tubería de desfogue ayudó a controlar la presión interna de la celda, además de
ser requerida para realizar una limpieza más eficiente cuando era necesario.
Con la implementación de estos tres componentes, se realizaron nuevas mediciones,
comprobándose que el método y la construcción del equipo iban por buen camino para
obtener la tensión superficial de sustancias altamente volátiles.
Después de analizar el equipo y los resultados que se obtuvieron hasta esta etapa, se
propuso la construcción de un baño térmico de líquido para trabajar a temperaturas debajo
de la ambiente y arriba de 323 K, que eran los límites que se tenían hasta el momento.
El baño térmico de líquido que se construyó consta de dos partes, la primera (figura 3.15a),
contiene la celda de alta presión y los componentes necesarios para la formación de gotas.
Esta parte fue construida de acrílico de 10 mm de espesor con adecuaciones para no obstruir
la visibilidad del capilar y las gotas formadas a través del mismo, ya que por un lado se
encuentra la cámara de video de alta resolución para captar las imágenes y por el otro lado
se encuentra la lámpara que permite la visibilidad de las gotas formadas. La segunda parte
(figura 3.15b) es un baño térmico recirculador marca Polyscience con control de
temperatura digital el cual proporciona temperaturas menores a 273 K y arriba de 373 K.
La parte de acrílico se probó en un intervalo de temperatura de (273.15 a 353.15) K y la
sustancia de trabajo que se vertió en éste, fue anticongelante para automóviles marca
Bardahl cuyo intervalo de operación es de (249 a 400) K de temperatura, eligiéndose éste
en vez de agua porque se comporta de manera más estable y se evita tanto la evaporación a
altas temperaturas, como la solidificación de la misma abajo de 273 K.
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76
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
(a) (b)
Figura 3.15. Baño térmico de líquido: (a) parte de acrílico (b) parte recirculadora, controladora de temperatura.
El baño térmico de líquido funcionó de manera excelente en cuanto a estabilidad térmica,
procediéndose después a realizar una serie de modificaciones para conectar uno de los
tanques de refrigerante HCFC, de las sustancias elegidas para esta investigación, no
obstante que se presentaron algunas dificultades para la formación de las gotas requeridas
por el método de gota pendiente.
De entre los problemas que se presentaron para formar gotas de HCFC, trabajando con un
capilar de 1.6 mm de diámetro, era que a la salida del capilar sólo salían burbujas o bien un
flujo de refrigerante que parecía un hilo. Para eliminar este problema, se procedió a
incrementar la presión en la celda con el mismo vapor de la sustancia de trabajo, logrando
formar gotas que se caían demasiado rápido, tanto que la cámara no alcanzaba a tomar las
imágenes para poder procesarlas.
Dado que aún no se podía tomar imágenes de gotas de HCFC, se procedió a probar
diferentes diámetros de capilares, logrando finalmente con uno de ellos formar una gota y
mantenerla un poco más de tiempo, no obstante que surgió un nuevo problema. El nuevo
problema fue que el tipo de gota formada, como la que se muestra en la figura 3.16, no era
reconocida por el software. Ésta, mantenía casi el mismo diámetro del capilar desde su
formación hasta su caída.
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77
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Figura 3.16. Gota de R-22 pendiendo de un capilar de 1.5 mm de diámetro exterior, la cual no es reconocida por el software de tensión superficial.
Después de seguir probando diferentes diámetros de capilares, finalmente se resolvió el
problema con diámetros más pequeños, obteniendo así el diámetro óptimo para trabajar con
este tipo de sustancias que fue de 0.711 mm de diámetro externo, formando una gota con un
cuerpo desarrollado en forma de pera y logrando mantenerla el tiempo suficiente para
captar las imágenes por medio de la cámara y procesarlas con el software.
Después de obtener la tensión superficial de uno de los HCFC elegidos para esta
investigación, se procedió a instalar los componentes necesarios para obtener el arreglo
final del equipo y realizar las mediciones requeridas de las mezclas de sustancias
propuestas en esta investigación.
El último arreglo del equipo, como se muestra en la figura 3.17, involucró el ensamble de
una serie de tuberías para suministrar nitrógeno 1, la instalación del cilindro de muestras,
marca Hoke con capacidad para 150 cm3 2, la implementación de una línea de tuberías para
suministrar la sustancia de calibración 3 y por último un par de fuentes de calor para
incrementar la presión tanto de la sustancia problema como de la sustancia de calibración 4.
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78
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Figura 3.17. Equipo para medir tensión superficial de sustancias altamente volátiles.
1. El nitrógeno fue requerido para tener una buena limpieza tanto de las tuberías como
de la celda. El nitrógeno es una sustancia recomendada por varios fabricantes y
prestadores de servicios y empresas como Dupont, para limpiar tuberías que
manejan hidroclorofluorocarbonos.
2. El cilindro de toma de muestra marca Hoke, modelo 3E1800, con capacidad para
150 cm3, contiene la sustancia que será utilizada en el experimento, además de que
permite manejar diferentes presiones, evitando así dañar el envase de la sustancia
empleada.
42
R-600a
N 2
3
1
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
3. La sustancia empleada en este trabajo, para calibrar el equipo de tensión superficial
de sustancias altamente volátiles, fue isobutano. Éste, fue adquirido de la empresa
Matheson en presentaciones de 0.4 kg.
4. Las fuentes de calor, fueron necesarias para generar térmicamente incrementos de la
presión tanto en el cilindro de la sustancia de calibración, como en el cilindro de la
sustancia problema para alcanzar las condiciones requeridas en el experimento.
De esta manera se obtuvo el arreglo final que permitió medir la tensión superficial de
sustancias altamente volátiles, incluyendo las propuestas en esta tesis y a diferentes
presiones, cumpliendo así con el quinto objetivo planteado en el capítulo 1.
3.3.4 Procedimiento para obtener la tensión superficial de las sustancias propuestas en
esta tesis
Uno de los factores a considerar, antes de realizar los experimentos de tensión superficial,
fue la prueba de hermeticidad de la celda y tuberías de trabajo, ya que se trabajó a presiones
arriba del ambiente y con sustancias cuyas características a altas presiones, causan
quemaduras al contacto con la piel y a lo ojos provoca irritación. Esta prueba debe
realizarse por condiciones de seguridad.
Para realizar la prueba de hermeticidad en la celda, una vez armada ésta, se colocó en un
recipiente con agua hasta estar completamente inmersa y por una de las entrada que se dejó
libre, se le inyectó nitrógeno en incrementos de 0.3447 MPa (50 Lb/in2) y en intervalos de 1
hora, hasta llegar a 3.447 MPa (500 lb/in2), observando cualquier descenso de presión
mediante un manómetro digital. Una vez llegado a esta presión, se dejó durante 12 hrs.
Durante el desarrollo de esta prueba se observo una fuga a 1.516 MPa (220 lb/in2), lo cual
condujo a un nuevo ajuste de los tornillos y conexiones de la celda, continuándose la
prueba hasta llegar a la presión máxima fijada, la cual fue 3.447 MPa (500 lb/in2).
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80
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
La prueba de hermeticidad de todo el equipo experimental, que incluye la celda, las
tuberías, válvulas y cilindro de muestra, se realizó de igual manera, inyectando nitrógeno en
incrementos de 0.3447 MPa (50 Lb/in2) y en intervalos de 1 hora hasta llegar a 3.447 MPa
(500 lb/in2), dejando presurizado el sistema por 12 horas, observando cualquier descenso de
la presión con un manómetro digital.
Otro factor importante dentro de la experimentación, fue alcanzar la temperatura óptima de
trabajo, dando el tiempo necesario al sistema para que se estabilice, después de las inercias
térmicas que se presentan al tratar de regular la temperatura deseada. Para este equipo en
específico, después de varias pruebas se establecieron 3 horas como mínimo para alcanzar
el equilibrio térmico y empezar a realizar mediciones.
Otro punto a controlar fue evitar que la sustancia de trabajo se contamine ya sea con algún
gas, líquido, partícula o impureza desde el cilindro hasta la zona de trabajo. Para ello fue
necesario limpiar correctamente las tuberías, interior de la celda y partes que estuvieran en
contacto con la sustancia de trabajo. Esta limpieza se llevó a cabo primeramente inyectando
acetona, después inyectando nitrógeno en varias etapas, con la finalidad de hacer un barrido
total y por último con una bomba de vacío se desalojaron los gases que pudieran estar
contenidos en el interior del sistema, durante un tiempo de 2.5 horas.
Una vez que se alcanzaron las condiciones óptimas de funcionamiento del equipo
construido para obtener la tensión superficial de sustancias altamente volátiles, se inicio el
proceso para obtener los datos de tensión superficial de las sustancias propuestas en esta
tesis, cuyo primer y más importante paso para obtener resultados confiables de tensión
superficial, es la calibración del equipo. Ésta se realizó a partir de un líquido de referencia,
cuyas propiedades tales como densidad, tensión superficial, entre otras, están perfectamente
definidas y reportadas en la literatura, eligiéndose para este trabajo al isobutano (R-600a)
como sustancia de calibración por la existencia de suficientes datos reportados en literatura
y la experiencia adquirida al manejar esta sustancia en las pruebas preliminares.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
81
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
El proceso que se llevo a cabo para calibrar el tensiómetro y medir la tensión superficial de
las sustancias propuestas en esta tesis, fue el siguiente:
Primero se encendieron los dispositivos de medición, los cuales son el sensor de
temperatura, sensor de presión, y la computadora que contiene el software para captar las
imágenes, después se encendió el baño térmico de líquido recirculador, seleccionándose a
la vez la temperatura de trabajo y dejando que todo el sistema alcance la misma
temperatura y su correspondiente equilibrio térmico.
Al tiempo que se alcanzaba la temperatura de trabajo y el equilibrio en la celda de
medición, se inyectó la sustancia de calibración (R-600a) desde el envase original, hacia
todo el sistema, incluyendo gran cantidad al correspondiente cilindro de muestra y una
porción hacia la celda de medición con el fin de saturar toda la celda con vapor de esta
sustancia.
Durante el suministro de sustancia hacia todo el sistema, se puso especial cuidado en las
lecturas de presión, ya que este tipo de sustancias reaccionan muy rápido con la
temperatura, elevando bruscamente la presión en el interior del sistema, pudiendo en algún
momento exceder la presión máxima de uno de los componentes, generando algún
accidente.
Después de haber suministrado la sustancia de calibración (R-600a) a todo el sistema y
alcanzado la temperatura de trabajo, con el correspondiente equilibrio térmico, se procedió
a elevar la presión en el cilindro de muestras, a través de las fuentes de calentamiento, con
el fin de alcanzar la presión de trabajo y a la vez para licuar la sustancia y llevarla a su
estado líquido para poder generar las gotas pendientes.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
82
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Una vez que se obtuvo la sustancia de calibración (R-600a) en estado líquido, a la
temperatura de trabajo, con su correspondiente equilibrio térmico y la presión requerida en
la celda de medición, se alimentó en el software los datos del R-600a (densidad y tensión
superficial), a la temperatura de medición y también el diámetro exterior del capilar
empleado.
Ya introducidos los datos en el software, se inyectó la sustancia de calibración (R-600a) a
través de la aguja y se comenzaron a formar gotas, captando las imágenes a través del
software y procesándolas a través de éste como se muestra en la figura 3.18, tratando de
igualar en cada medición realizada con una gota nueva, los valores correspondientes de
literatura.
Figura 3.18. Gota procesada por el software para obtener la tensión superficial.
La captura de imágenes de las gotas pendientes, se debe realizar cuando se haya conseguido
el completo desarrollo y la máxima deformación de la gota, como se muestra en la figura
3.19. En la cual se presenta la toma de 6 imágenes en 1 segundo, desde el completo
desarrollo hasta la máxima deformación de la gota pendiente.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
83
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Figura 3.19. Desarrollo de una gota en la fase de su máxima deformación antes de caer.
En el proceso de igualar los datos de tensión superficial obtenidos, para la calibración del
equipo, fue el paso más importante y más tardado, ya que con un movimiento mínimo de la
cámara o una inestabilidad mínima en la temperatura, los valores obtenidos se veían
grandemente afectados, tardándose a veces hasta 6 horas para lograr calibrar el equipo,
realizándose en todo momento, una serie de ajustes para alcanzar tal objetivo.
Los ajustes realizados, para conseguir la calibración del equipo fueron:
a) Girar las lentes de la cámara según fue necesario para obtener la distancia adecuada
de los mismos.
b) Ajustar el brillo o contraste de la imagen, ya sea desde la computadora o de
la cámara.
c) Formar gotas completamente desarrolladas, en el proceso de inyección de sustancia.
d) Generar gotas nuevas para la captura de imágenes, ya que el envejecimiento de
éstas, varían el resultado.
Una vez obtenidos los valores de tensión superficial, con un porcentaje de error menor a 0.5
mN·m-1 y una desviación estándar menor a 0.1, se mostraron en una tabla para después
graficarse como se muestra en la figura 3.20 y 3.21, respectivamente.
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84
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Figura 3.20. Tabla de resultados de tensión superficial proporcionados por el software.
Figura 3.21. Grafica de resultados de tensión superficial, después de ser procesada la imagen.
A partir de las tablas generadas como la que se presentada en la figura 3.20, se obtiene el
valor promedio de tensión superficial y su desviación estándar, haciendo esto para 15
capturas de imagen, con valores aceptables de tensión superficial y sin ningún ajuste en el
equipo. Si el porcentaje de error relativo es menor al 1%, entonces se ha calibrado
correctamente el equipo.
Después de haber calibrado el equipo, se procedió a desalojar la sustancia de calibración
(R-600a) y posteriormente se realizó una limpieza tanto en la celda de equilibrio como en
tuberías y accesorios auxiliares, para más tarde suministrar la sustancia problema.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
85
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Para realizar la captura de imágenes de las gotas pendientes de la sustancia problema, se
siguieron algunos puntos anteriormente mencionados, como suministrar la sustancia
problema a todo el sistema, saturar con vapor la celda de equilibrio con la misma sustancia,
incrementar la presión en el cilindro de muestras mediante la celda de calentamiento y
alcanzar temperatura de trabajo.
Por otro lado, se procedió a cambiar el valor de densidad de la sustancia de calibración, por
el de la sustancia problema, a las mismas condiciones de temperatura y presión que se
estaba trabajando.
Finalmente, habiéndose obtenido la temperatura y presión de trabajo de la sustancia
problema y colocado los valores apropiados en el software, se procedió a crear gotas
pendientes de la sustancia problema y obtener la tensión superficial de equilibrio,
cumpliéndose así con el sexto objetivo particular planteado en el capítulo 1.
En la figura 3.22 se muestra un diagrama de flujo, que describe de manera clara el proceso
para obtener la tensión superficial de las sustancias propuestas en esta investigación,
utilizando un tensiómetro de gota pendiente.
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86
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
SI
NO
Encender el sensor de temperatura, el sensor de presión, y la computadora
que contiene el software.
Encender el baño térmico, seleccionar la temperatura de trabajo y dejar que el sistema alcance el equilibrio térmico.
Trasvasar la sustancia de trabajo al interior del sistema y saturar la celda
con vapor de la misma sustancia.
Elevar la presión en el cilindro de muestras, con las fuentes de calentamiento y alcanzar
la presión de trabajo
Cuidar que la presión en el sistema, no exceda la presión de trabajo de los componentes
¿Se alcanzó la temperatura de trabajo y el equilibrio térmico?
SI
NOAjustar la temperatura en el baño recirculador y dar tiempo al sistema
para su equilibrio
¿Se alcanzó la presión de trabajo y la estabilidad de la misma, en la celda de
equilibrio?
Ajustar la presión ya sea desfogando o inyectando
sustancia a la celda de equilibrio con las tuberías
auxiliares.
Inicio
RAÚL ROMÁN AGUILAR
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO III
Figura 3.22. Diagrama de flujo para obtener la tensión superficial de las sustancias propuestas en esta tesis.
SI
NO
SI
Anotar el valor de tensión y obtener 10 lecturas mínimo,
retirar la sustancia de calibración y cargar en la línea la sustancia
de investigación.
¿El número de lecturas son 10
mínimo?
Ajustar la lente ó el brillo ó generar
mejores gotas.
A
Inyectar la sustancia a la celda de equilibrio a través del capilar y formar una
gota pendiente
Capturar las imágenes de la gota pendiente y procesarlas, usando el software.
La sustancia que se está trabajando es:
Fin
A- de calibración B- de investigación
Compare el resultado con el de la literatura,
considerando una desviación de ± 0.5 mN·m-1
Tomar la lectura de tensión si la desviación estándar es
menor a 0.1
¿Está el valor de tensión dentro del límite establecido
y con una desviación estándar menor a 0.1?
B
NO
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
C a p í t u l o
IV
RAÚL ROMÁN AGUILAR
89
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
CAPÍTULO IV: RESULTADOS EXPERIMENTALES Y ANÁLISIS
4.1 Resultados experimentales obtenidos en este trabajo y su análisis
En este capítulo se presentan los resultados experimentales obtenidos en densidad y tensión
superficial de las mezclas binarias R-600 (butano) + R-124 (clorotetrafluoroetano) y de R-
600 (butano) + R-22 (clorodifluorometano), en un intervalo de temperatura de (283.15 a
323.15) K y en un intervalo de presión de (0.5 a 2.5) MPa. Este estudio se realizó en el
laboratorio de termodinámica del área de investigación en termofísica del Instituto
Mexicano del Petróleo, con los equipos mencionados anteriormente requeridos para tal
efecto, los cuales fueron un densímetro de alta presión, el cual emplea el método de tubo
vibrante y un equipo de tensión superficial de equilibrio que fue modificado para medir las
mezclas de sustancias anteriormente mencionadas, las cuales tienen la característica de ser
altamente volátiles.
4.1.1 Elaboración de concentración de las mezclas a estudiar
En las tablas 4.1 y 4.2, se muestran los valores de la concentración en fracción molar, x, de
las mezclas de butano + R-124 y de butano + R-22, respectivamente. Las tablas incluyen
también la masa, m, de cada componente que fue requerida para cada concentración
elaborada.
Tabla 4.1. Concentraciones elaboradas en este trabajo, por el método de pesada de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124.
x1 M1 /g m2/g concentración 1 0.364 9.428 38.523concentración 2 0.512 21.113 47.111concentración 3 0.771 54.068 37.539
RAÚL ROMÁN AGUILAR
90
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
Tabla 4.2. Concentraciones elaboradas en este trabajo por el método de pesada de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22
x1 M1 /g m2/g concentración 1 0.236 15.459 74.374concentración 2 0.506 25.209 36.600concentración 3 0.691 53.930 35.843
La decisión de estudiar las mezclas binarias butano + R124 y butano + R-22, surge del
análisis bibliográfico que se realizó con gran detalle en el capítulo 2, a partir del cual se
derivó una serie de propuestas de sustancias, sobre las cuales se podía incursionar para
investigar las propiedades termofísicas de los mismos. Estas sustancias se muestran en la
tabla 2.1, incluyéndose la mezcla ternaria butano + R-124 + R-22.
Considerando una serie de factores que se mencionan al final del capítulo 2, se optó por
estudiar las mezclas binarias mencionadas butano + R124 y butano + R-22, decidiéndose
también que era conveniente estudiar tres concentraciones, una de mayor concentración en
la primer sustancia, otra de menor concentración en la misma sustancia y otra de
concentración equimolar, para determinar el comportamiento de cada mezcla, en función de
la concentración.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
91
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
4.1.2 Resultados experimentales obtenidos en densidad y su análisis
Los resultados en densidad que se muestran a continuación, fueron obtenidos con una
incertidumbre de 1.5 x 10-5 g·cm-3, tanto para la mezcla binaria butano+R-124 como para la
mezcla butano+R-22. Este valor de incertidumbre obtenido, es el resultado promedio de
una serie de cálculos que se muestran en el apéndice I, aplicados a cada valor de densidad
obtenido experimentalmente, siendo un total de 110 mediciones y consecutivamente un
total de 110 cálculos de incertidumbre.
En la tabla 4.3, se muestran los resultados experimentales de densidad, obtenidos en este
trabajo, en tres concentraciones de x1 butano + (1-x1) R-124, a temperaturas de (283.15 a
323.15) K y presiones de (0.5 a 2.5) MPa.
Tabla 4.3. Resultados experimentales de densidad, ρ/kg·m-3, obtenidos en este trabajo, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124 a diferentes temperaturas T y presiones p.
T/K x1
p/MPa 283.15 293.15 303.15 313.15 323.15 0.5 1 082.90 1 056.52 1 029.14
1 1 084.44 1 058.29 1 031.71 1 002.11 971.951.5 1 086.09 1 060.19 1 033.65 1 004.60 975.32
2 1 087.75 1 062.10 1 035.86 1 010.87 2.5 1 089.37 1 063.95 1 038.21
0.364
0.5 962.89 940.83 917.45 1 964.20 942.32 919.61 895.36 869.66
1.5 965.66 943.97 921.33 897.66 872.842 967.11 945.61 923.25 899.92 875.46
2.5 968.57 947.21 925.31 902.11 878.04
0.512
0.5 762.55 746.13 1 763.45 747.16 730.85 713.28 694.63
1.5 764.39 748.31 732.00 714.95 696.562 765.43 749.50 733.35 716.42 698.38
0.771 2.5 766.49 750.64 734.83 717.91 700.09
RAÚL ROMÁN AGUILAR
92
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
Los datos obtenidos en densidad, así como su comportamiento y otras propiedades, como la
capacidad calorífica, son información necesaria para elegir la cantidad de sustancia
requerida para absorber cierta cantidad de calor en un sistema de refrigeración por
compresión de vapor, tomando en cuenta también el volumen que se dispone para la
circulación de la sustancia, lo cual recae en la selección de materiales al diseñar un sistema
de refrigeración.
En el capitulo uno, se menciono es conveniente que se utilice una sustancia lo más densa
posible, para que el consumo de energía en el compresor sea lo mas bajo posible,
lógicamente que la mezcla de mayor densidad, sería siempre la mezcla que tenga la mayor
sustancia pura de mayor densidad, entonces cabe aclarar, que no solo depende de esta
propiedad la selección de sustancias en los sistemas de refrigeración por compresión de
vapor, ya que por otro lado se esta buscando también utilizar hidrocarburos, los cuales son
considerados sustancias ambientalmente amigables, para reducir los problemas de
contaminación descritos en el primer capítulo.
Este estudio, no busca saber cual es la mayor o menor densidad de las mezclas butano + R-
124 y butano + R-22, sino conocer los datos de las propiedades termofísicas de estas
sustancias para su caracterización y así determinar su comportamiento, lo cual permitirá
tener nuevas alternativas en sustancias que permitan generar refrigerantes ambientalmente
amigables y con la mayor eficiencia posible al ser probadas éstas, en un sistema de
refrigeración por compresión de vapor.
Los hidrocarburos no pueden ser utilizados de forma pura en los sistemas de refrigeración
por compresión de vapor, ya que su gran desventaja es que son extremadamente flamables,
considerándose así refrigerantes de muy baja seguridad, no obstante que mezclados con
cierta cantidad de HCFC o HFC, se pueden tener mejores condiciones de seguridad, de ahí
que formen parte de nuevos estudios en mezclas de refrigerantes como en la presente
investigación.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
93
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
En las figuras 4.1 a 4.3, se muestra el comportamiento de los resultados experimentales de
densidad como función de la temperatura, en la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, en
fracción molar, x1, de (0.364, 0.512 y 0.771), a presiones de (0.5, 1, 1.5, 2 y 2.5) MPa. En
éstas, se observa que independientemente de la fracción molar de la mezcla, la densidad
disminuye a medida que aumenta la temperatura, en todo el intervalo de presión estudiado.
Este comportamiento se debe a que el aumento de temperatura genera una dilatación en las
moléculas de cada componente de la mezcla, originando un aumento de volumen,
provocando que el cociente de la masa de la mezcla por unidad de volumen sea menor a
medida que la temperatura aumenta.
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
1100
280 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330
dens
ida
ρ / k
g·m
-3
T/K
T/K
Figura 4.1. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a una concentración x1 de 0.364, como función de la temperatura T y presión:
×) 0.5 MPa; +) 1 MPa; ∆) 1.5 MPa; □) 2 MPa y ) 2.5 MPa.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
94
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
860
880
900
920
940
960
980
280 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330
dens
ida
ρ / k
g·m
-3
T/K T/K
Figura 4.2. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a una concentración x1 de 0.512, como función de la temperatura T y presión :
×) 0.5 MPa; +) 1 MPa; ∆) 1.5 MPa; □) 2 MPa y ) 2.5 MPa.
690
700
710
720
730
740
750
760
770
780
280 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330
dade
nsi
ρ / k
g·m
-3
T/K
T/K
Figura 4.3. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a una concentración x1 de 0.771, como función de la temperatura T y presión :
×) 0.5 MPa; +) 1 MPa; ∆) 1.5 MPa; □) 2 MPa y ) 2.5 MPa.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
95
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
En las figuras 4.4 a 4.6, se muestra el comportamiento de los resultados experimentales de
la densidad, como función de la presión, en la mezcla butano + R-124, en fracción molar,
x1, de (0.364, 0.512 y 0.771), a temperaturas de (283.15, 293.15, 303.15, 313.15 y 323.15)
K. En éstas, se observa que independientemente de la fracción molar de la mezcla, la
densidad aumenta a medida que la presión aumenta, en todo el intervalo de temperatura
estudiado. Este comportamiento se debe a que el aumento de presión, genera una
compresión en las moléculas de cada componente de la mezcla, originando una reducción
de volumen, provocando que el cociente de la masa de la mezcla por unidad de volumen
sea mayor a medida que la presión aumenta.
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
1100
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
dade
nsi
ρ / k
g·m
-3
P/MPap/MPa
Figura 4.4. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a una concentración x1 de 0.364, como función de la presión p y temperatura:
♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15 K
RAÚL ROMÁN AGUILAR
96
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
860
880
900
920
940
960
980
0 0.5 1 1.5 2 2.5
dens
ida
ρ / k
g·m
-3
3P/MPa
p/MPa
Figura 4.5. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a una concentración x1 de 0.512, como función de la presión p y temperatura:
♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15 K
690
700
710
720
730
740
750
760
770
780
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
ρ / k
g•m
ρ / k
g·m
-3
P/MPa
Figura 4.6. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a una concentración p/MPa
x1 de 0.771, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15 K
RAÚL ROMÁN AGUILAR
97
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
En las figuras 4.7 a 4.11, se muestra el comportamiento de los resultados experimentales de
la densidad como función de la concentración, en la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, a
presiones de (0.5, 1, 1.5, 2. 2.5) MPa, en el intervalo (283.15 a 323.15) K de temperatura.
En éstas, se observa que independientemente de la presión, la densidad disminuye a medida
que la concentración de butano aumenta, en todo el intervalo de temperatura estudiado.
Este comportamiento se debe a que el aumento en la concentración de butano, requerirá
mayor volumen para una masa específica, provocando que el cociente de la masa de la
mezcla por unidad de volumen sea menor a medida que la concentración de butano
aumenta.
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
concentración
dens
ρ / k
g·m
-3
x1
Figura 4.7. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 0.5 MPa y temperaturas:
◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K
RAÚL ROMÁN AGUILAR
98
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1concen
dens
ρ / k
g·m
-3
tracion
Figura 4.8. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función x1
de la concentración x1, medidas a una presión de 1 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
concen
dens
ρ / k
g·m
-3
tracion
Figura 4.9. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función x1
de la concentración x1, medidas a una presión de 1.5 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
RAÚL ROMÁN AGUILAR
99
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1conc
dens
ρ / k
g·m
-3
racion
Figura 4.10. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 2 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1conc
dens
ρ / k
g·m
-3
racion
Figura 4.11. Densidad ρ de la mezcla x1de la concentración x1, medidas a una
◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.
RAÚL ROMÁ
entx1
entx1
butano + (1-x1) R-124, como función presión de 2.5 MPa y temperaturas: 15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
N AGUILAR
100
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
De las tres concentraciones estudiadas en la mezcla butano + R-124, en el rango de
temperatura de (273 a 323) K y presión de (0.5 a 2.5) MPa, se observa que se tiene la mayor
densidad a la temperatura de 283.15, presión de 2.5 MPa y concentración 0.364 de x1, lo
cual es lógico porque es la menor temperatura estudiada y a medida que ésta aumente,
generara una dilatación en las moléculas de cada componente de la mezcla, originando un
aumento de volumen y por tanto una disminución en densidad; respecto a la presión, se
puede observar que es la mayor presión del intervalo estudiado, por lo que se tiene la mayor
compresibilidad de las moléculas en este punto y consecuentemente la mayor densidad; en
lo que se refiere a la concentración, es la que presenta la mayor cantidad de sustancia del
componente mas denso, de ahí que se de el punto de mayor densidad a estas condiciones.
En la tabla 4.4, se muestran los resultados experimentales obtenidos en este trabajo de
densidad, en tres mezclas de x1 butano + (1-x1) R-22, a temperaturas de (283.15 a 323.15) K
y presiones de (1 a 2.5) MPa.
Tabla 4.4. Resultados experimentales de densidad ρ/kg·m-3, obtenidos en este trabajo, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22 a diferentes temperaturas T y presiones p.
T/K x1
p/MPa 283.15 293.15 303.15 313.15 323.15
1 1 026.92 997.70 1.5 1 028.38 999.85 965.77
2 1 030.23 1 002.02 967.47 935.34 898.222.5 1 032.07 1 004.13 969.33 938.97 901.65
0.236
1 833.08 812.09
1.5 834.74 813.85 792.91 2 836.14 815.41 794.91 771.42 747.73
2.5 837.38 816.91 796.99 774.26 749.94
0.506
1 733.54 716.72
1.5 734.57 717.92 700.99 2 735.63 719.14 702.37 685.72 666.51
0.691
2.5 736.73 720.31 703.95 687.31 668.39
RAÚL ROMÁN AGUILAR
101
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
En las figuras 4.12 a 4.14, se muestra el comportamiento de los resultados experimentales
la densidad como función de la temperatura, en la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, en
fracción molar, x1, de (0.236, 0.506 y 0.691), a presiones de (1, 1.5, 2 y 2.5) MPa. En éstas,
se observa que independientemente de la fracción molar de la mezcla, la densidad
disminuye a medida que aumenta la temperatura, en todo el intervalo de presión estudiado.
Este comportamiento se debe a que el aumento de temperatura genera una dilatación en las
moléculas de cada componente de la mezcla, originando un aumento de volumen,
provocando que el cociente de la masa de la mezcla por unidad de volumen sea menor a
medida que la temperatura aumenta.
880
900
920
940
960
980
1000
1020
1040
280 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330
aD
ensid
ρ / k
g·m
-3
T/K Figura 4.12. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración
T/K
x1 de 0.236, como función de la temperatura T y presión: +) 1 MPa; ∆) 1.5 MPa; □) 2 MPa y ) 2.5 MPa.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
102
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
740
760
780
800
820
840
860
280 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330
aD
ensi
dρ
/ kg·
m-3
T/KT/K
Figura 4.13. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.506, como función de la temperatura T y presión:
+) 1 MPa; ∆) 1.5 MPa; □) 2 MPa y ) 2.5 MPa.
660
680
700
720
740
760
280 285 290 295 300 305 310 315 320 325 330
Den
sida
ρ / k
g·m
-3
T/KT/K
Figura 4.14. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.691, como función de la temperatura T y presión:
+) 1 MPa; ∆) 1.5 MPa; □) 2 MPa y ) 2.5 MPa.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
103
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
En las figuras 4.15 a 17, se muestra el comportamiento de los resultados experimentales de
la densidad, como función de la presión, en la mezcla butano + R-22, en fracción molar, x1,
de (0.236, 0.506 y 0.691), a temperaturas de (283.15, 293.15, 303.15, 313.15 y 323.15) K.
En éstas, se observa que independientemente de la fracción molar de la mezcla, la densidad
aumenta a medida que la presión aumenta, en todo el intervalo de temperatura estudiado.
Este comportamiento se debe a que el aumento de presión, genera una compresión en las
moléculas de cada componente de la mezcla, originando una reducción de volumen,
provocando que el cociente de la masa de la mezcla por unidad de volumen sea mayor a
medida que la presión aumenta.
880
900
920
940
960
980
1000
1020
1040
0.5 1 1.5 2 2.5 3
Den
sida
ρ / k
g·m
-3
P/MPap/MPa
Figura 4.15. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.236, como función de la presión p y temperatura:
♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15 K
RAÚL ROMÁN AGUILAR
104
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
740
750
760
770
780
790
800
810
820
830
840
850
0.5 1 1.5 2 2.5
Den
sida
ρ / K
g·m
-3
3
P/MPap/MPa
Figura 4.16. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.506, como función de la presión p y temperatura:
♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15 K
660
670
680
690
700
710
720
730
740
750
0.5 1 1.5 2 2.5 3
aD
ensi
dρ
/ Kg·
m-3
P/MPap/MPa
Figura 4.17. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.691, como función de la presión p y temperatura:
♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15 K
RAÚL ROMÁN AGUILAR
105
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
En las figuras 4.18 a 4.21, se muestra el comportamiento de los resultados experimentales
de la densidad como función de la concentración, en la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a
presiones de (1, 1.5, 2, 2.5) MPa, en el intervalo (283.15 a 323.15) K de temperatura. Al
igual que en la mezcla de butano + R-124, se observa que independientemente de la
presión, la densidad disminuye a medida que la concentración de butano aumenta, en todo
el intervalo de temperatura estudiado. Este comportamiento se debe a que el aumento en la
concentración de butano, requerirá mayor volumen para una masa específica, provocando
que el cociente de la masa de la mezcla por unidad de volumen sea menor a medida que la
concentración de butano aumenta.
600
700
800
900
1000
1100
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
dens
ρ / k
g·m
-3
x Figura 4.18. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función
x1
de la concentración x1, medidas a una presión de 1 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K y □) 293.15 K
RAÚL ROMÁN AGUILAR
106
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
600
700
800
900
1000
1100
0 0.2 0.4 0.6 0.8
dens
ρ / k
g·m
-3
1x
Figura 4.19. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función x1
de la concentración x1, medidas a una presión de 1.5 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K y ∆) 303.15 K
600
700
800
900
1000
1100
0 0.2 0.4 0.6 0.8
dens
ρ / k
g·m
-3
1
xx1
Figura 4.20. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función
de la concentración x1, medidas a una presión de 2 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
RAÚL ROMÁN AGUILAR
107
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
600
700
800
900
1000
1100
0 0.2 0.4 0.6 0.8
dens
ρ / k
g·m
-3
1x
Figura 4.21. Densidad ρ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función
x1
de la concentración x1, medidas a una presión de 2.5 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
De las tres concentraciones estudiadas en la mezcla butano + R-22, en el rango de
temperatura de (273 a 323) K y presión de (0.5 a 2.5) MPa, al igual que en la mezcla butano
+ R-124, se observa que se tiene la mayor densidad a la temperatura de 283.15, presión de
2.5 MPa y concentración 0.236 de x1, lo cual es lógico porque es la menor temperatura
estudiada y a medida que ésta aumente, generara una dilatación en las moléculas de cada
componente de la mezcla, originando un aumento de volumen y por tanto una disminución
en densidad, con respecto a la presión, se puede observar que es la mayor presión del
intervalo estudiado, por lo que se tiene la mayor compresibilidad de las moléculas en este
punto y consecuentemente la mayor densidad, en lo que se refiere a la concentración, es la
que presenta la mayor cantidad de sustancia del componente mas denso, de ahí que se de el
punto de mayor densidad a estas condiciones.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
108
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CAPÍTULO IV
4.1.3 Resultados experimentales obtenidos en tensión superficial y su análisis. Los resultados de tensión superficial que se muestran a continuación, fueron obtenidos con
una incertidumbre de 0.06 mN·m-1, tanto para las mezcla binaria butano+R-124 como para
la mezcla butano+R-22. Este valor de incertidumbre obtenido, es el resultado promedio de
los 65 valores de incertidumbre individual.
En la tabla 4.5, se muestran los resultados experimentales obtenidos de tensión superficial
de equilibrio, en este trabajo, de las mismas tres concentraciones utilizadas para obtener la
densidad, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124, en el mismo intervalo (283.15 a 323.15) K
de temperatura y presiones de (0.5 a 2) MPa.
Tabla 4.5. Resultados experimentales de tensión superficial de equilibrio γ/mN·m-1, obtenidos en este trabajo, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124 a diferentes temperaturas T y presiones p.
T/K x1 p/MPa 283.15 K 293.15 K 303.15 K 313.15 K 323.15 K
0.5 11.41 1 10.84 10.29
1.5 10.45 9.61 2 9.86 9.07
0.364
0.5 12.00 10.43
1 11.51 10.24 9.44 7.98 1.5 11.18 9.82 8.50 7.40
0.512
0.5 13.38 12.51
1 12.98 11.80 11.27 10.08 8.241.5 12.29 11.24 10.69 9.17
0.771
2 11.86 10.98 10.23 8.83 En las figuras 4.22 a 4.24, se muestra el comportamiento de los resultados experimentales
de tensión superficial de equilibrio, como función de la presión en la mezcla x1 butano + (1-
x1) R-124, en fracción molar, x1, de (0.364, 0.512 y 0.771), a temperaturas de (283.15,
293.15, 303.15, 313.15 y 323.15) K. En éstas, se observa que independientemente de la
fracción molar de la mezcla, la tensión superficial de equilibrio, disminuye a medida que la
presión aumenta en todo el intervalo de temperatura.
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0 0.5 1 1.5 2 2
Tens
ión
suγ /
mN
·m-1
.5
P/MPap/MPa
Figura 4.22. Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124 a una concentración x1 de 0.364, como función de la presión p y temperatura:
♦) 283.15 K y ■) 293.15 K
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0 0.5 1 1.5 2 2
T.S
γ / m
N·m
-1
.5
P/MPa
Figura 4.23. Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124 p/MPa
a una concentración x1 de 0.512, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K y ●) 313.15 K
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Figura 4.24. Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124
a una concentración x1 de 0.771, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15
En las figuras 4.25 a 4.28, se muestra el comportamiento de los resultados experimentales
de la tensión superficial de equilibrio, como función de la concentración en la mezcla
butano + R-124, a presiones de (0.5, 1, 1.5 y 2) MPa y temperaturas de (283.15, 293.15,
303.15, 313.15 y 323.15) K.
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0 0.5 1 1.5 2 2.5 P/MPa
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γ / m
N·m
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p/MPa
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
x
T.S
γ / m
N·m
-1
Figura 4.25. Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124,
x1
como función de x1 , medidas a una presión de 0.5 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K y □) 293.15 K.
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
T.S
γ / m
N·m
-1
Figura 4.26. Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124,
x1
como función de x1 , medidas a una presión de 1 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
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x
T.S
γ / m
N·m
-1
x1 Figura 4.27. Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124,
como función de x1 , medidas a una presión de 1.5 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K y ×) 313.15 K
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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
T.S
γ / m
N·m
-1
x Figura 4.28. Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124,
x1
como función de x1 , medidas a una presión de 2 MPa y temperaturas: ◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K y ×) 313.15 K
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En la tabla 4.6, se muestra el comportamiento de los resultados experimentales obtenidos
de tensión superficial de equilibrio, en este trabajo, de las mismas tres concentraciones
utilizadas para obtener la densidad, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, en el mismo
intervalo (283.15 a 323.15) K de temperatura y presiones de (0.5 a 2) MPa.
Tabla 4.6. Resultados experimentales de tensión superficial de equilibrio γ/mN·m-1, obtenidos en este trabajo, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22 a diferentes temperaturas T y presiones p.
T/K x1 p/MPa 283.15 K 293.15 K 303.15 K 313.15 K 323.15 K
0.5 11.15 10.72 1 10.56 9.87 9.38
1.5 10.05 9.30 8.35 7.83
0.364
1 12.92 12.04
1.5 11.87 11.34 10.36 2 10.97 10.45 9.83 8.66 7.93
0.512
1 13.50 13.23
1.5 12.83 12.30 11.44
0.771
2 12.03 11.65 10.76 9.62 8.74
En las figuras 4.29 a 4.31, se muestra el comportamiento de los resultados experimentales
de tensión superficial de equilibrio, como función de la presión en la mezcla x1 butano + (1-
x1) R-22, en fracción molar, x1, de (0.236, 0.506 y 0.691), a temperaturas de (283.15,
293.15, 303.15, 313.15 y 323.15) K. En éstas, se observa que independientemente de la
fracción molar de la mezcla, la tensión superficial de equilibrio, disminuye a medida que la
presión aumenta en todo el intervalo de temperatura.
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Ten
γ / m
N·m
-1
P/MPa Figura 4.29.Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22,
p/MPa
a una concentración x1 de 0.236, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K y ●) 313.15 K
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0.5 1 1.5 2 2.5
Ten
γ / m
N·m
-1
P/MPa
Figura 4.30. Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, p/MPa
a una concentración x1 de 0.506, como función de la presión p y temperatura: ♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15
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0 0.5 1 1.5 2 2.5
P/MPa
T.S
γ / m
N·m
-1
p/MPa
Figura 4.31. Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, a una concentración x1 de 0.691, como función de la presión p y temperatura:
♦) 283.15 K; ■) 293.15 K; ▲) 303.15 K; ●) 313.15 K y ■) 323.15
En las figuras 4.32 a 4.34, se muestran el comportamiento de los resultados experimentales
de la tensión superficial de equilibrio, como función de la concentración en la mezcla
butano + R-22, a presiones de (1, 1.5 y 2) MPa y temperaturas de (283.15, 293.15, 303.15,
313.15 y 323.15) K. Al igual que en la mezcla de butano + R-124, se observa que la tensión
superficial de equilibrio, aumenta a medida que la concentración de butano aumenta.
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T.S
γ / m
N·m
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Figura 4.32. Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, x1
como función de la concentración x1, medidas a una presión de 1 MPa y temperatura: ◊) 283.15 K y □) 293.15 K.
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0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
T.S
γ / m
N·m
-1
x
x1
Figura 4.33. Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 1.5 MPa y temperatura:
◊) 283.15 K; □) 293.15 K y ∆) 303.15 K.
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0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
T.S
γ / m
N·m
-1
x x1
Figura 4.34. Tensión superficial de equilibrio γ de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, como función de la concentración x1, medidas a una presión de 2 MPa y temperatura:
◊) 283.15 K; □) 293.15 K; ∆) 303.15 K; ×) 313.15 K y ○) 323.15 K
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CONCLUSIONES
En este trabajo se estudiaron las propiedades termofísicas densidad y tensión superficial en
mezclas de butano+R-124 y butano+R-22, las cuales formarán parte de la caracterización
termofísica que permitirá generar nuevas alternativas en refrigerantes para sistemas de
refrigeración por compresión de vapor, cumpliendo así el objetivo general de este trabajo
de investigación de manera satisfactoria.
Se efectuó un análisis bibliográfico de los estudios que se han realizado en sustancias
empleadas en sistemas de refrigeración por compresión de vapor, encontrándose
importantes avances en el campo de propiedades termofísicas. De este análisis, se observó
que la densidad y tensión superficial son dos propiedades importantísimas para definir la
eficiencia de este tipo de sustancias.
Se integró un sistema para llevar a cabo la preparación de las mezclas binarias x1 butano +
(1-x1) R-124 y x1 butano + (1-x1) R-22, en tres distintas concentraciones, utilizando el
método de pesada.
Con el sistema para la preparación de mezclas de concentración conocida, se preparó la
mezcla x1 butano + (1-x1) R-124 en concentraciones x1= (0.364, 0.512 y 0.771) fracción
molar y la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22, en concentraciones x1= (0.236, 0.506 y 0.691)
fracción molar, obteniéndose todos los valores con una incertidumbre de 0.001 fracción
molar.
Se integró un equipo para medir densidad, de modo que permitió medir la densidad de las
mezclas butano + R-124 y butano + R-22, a diferentes presiones y temperaturas.
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De las tres concentraciones estudiadas en la mezcla butano + R-124, en el rango de
temperatura de (283 a 323) K y presión de (0.5 a 2.5) MPa, se obtuvo el valor mas alto de
densidad a la temperatura de 283.15 K, presión de 2.5 MPa y concentración 0.364 de x1, lo
cual es aceptable porque es la menor temperatura estudiada y a medida que ésta aumente,
generara una dilatación en las moléculas de cada componente de la mezcla, originando un
aumento de volumen y por tanto una disminución en densidad; respecto a la presión, se
puede observar que es la mayor presión del intervalo estudiado, por lo que se tiene la mayor
compresibilidad de las moléculas en este punto y consecuentemente la mayor densidad; en
lo que se refiere a la concentración, es la que presenta la mayor cantidad de sustancia del
componente mas denso, de ahí que se de el punto de mayor densidad a estas condiciones.
En la mezcla butano + R-22, ocurre el mismo comportamiento en el valor mas alto.
Se obtuvo un total de 110 resultados experimentales en densidad, con una incertidumbre
1.5 x 10-5 g·cm-3, incertidumbre promedio del total de los valores obtenidos.
Se integró un equipo de tensión superficial que utiliza el método de gota pendiente con la
finalidad de medir la tensión superficial de las mezclas binarias butano + R-124 y butano +
R-22, a diferentes presiones y temperaturas.
Se obtuvo un total de 61 resultados experimentales en tensión superficial de equilibrio, con
una incertidumbre de 0.06 mN·m-1. Éste valor fue el promedio del total de los valores
obtenidos.
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RECOMENDACIONES
Trabajos futuros:
- Sería conveniente realizar estudios de más sustancias que no dañen el medio ambiente,
para utilizarlas en los sistemas de refrigeración por compresión de vapor.
- Ampliar el estudio de propiedades termofísicas de las sustancias aquí estudiadas, para
tener una completa caracterización de las mismas.
- Ampliar el estudio de mezclas binarias de concentración conocida a mezclas de tres y
hasta cuatro componentes.
- Ampliar los estudios de mezclas que contienen hidrocarburos, debido a los beneficios que
poseen estas sustancias.
- Sería importante construir un ciclo de refrigeración por compresión de vapor a nivel
laboratorio para evaluar el rendimiento de sustancias alternativas que funcionan como
fluidos de trabajo en estos sistemas, como parte de investigaciones a nivel maestría o
doctorado
- seria conveniente realizar estudios a nivel laboratorio, sobre el funcionamiento de las
sustancias obtenidas, para evaluar el comportamiento en compresores, intercambiadores de
calor y dispositivos de expansión al cambiar el fluido de trabajo. Lo cual permitiría a otros
estudiantes tener temas de gran relevancia para estudios a nivel maestría o doctorado.
- Sería importante realizar una evaluación del rendimiento de un ciclo de refrigeración real
con las sustancias aquí estudiadas, lo cual enriquecería este estudio y puede ser un tema de
investigación a nivel maestría o doctorado.
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REFERENCIAS
[1] -Smith, J. M., Van Ness, H. C., Introducción a la termodinámica en ingeniería química. Mc Graw Hill/Interamericana de México, S. A. de C. V. Cuarta edición. 1989. [2] -Warren Marsh R., Thomas Olivo C., Principios de la refrigeración. Editorial Diana S.A. México. Segunda edición. 1993. [3] -Whitman William C., Johnson William M., Tecnología de la refrigeración y aire acondicionado. Editorial Marcombo S.A. Barcelona España. 1997. [4] -http://ingenierias.uanl.mx/22/sistemas/pdf [5] -Rodríguez Jorge A. Introducción a la termodinámica con algunas aplicaciones en ingeniería. www.modeladoeningenieria.edu.ar. 2002. [6] -http://epa.gob [7] -http://geocities.com/rap_al/Convenio5.html [8] -http://www.ecoportal.net/articulos/ozono.htm [9] -http://www.greenpeace.org.ar/ [10] -http://www.capadeozono.cu/novedades.asp [11] -http://www.greenpeacemexico.org.mx/ [12] -Periódico “La Jornada”, México DF. 19-enero-06. Por Laura Poy Solano. [13] -http://sagan-gea.org/hojared/hoja7.htm. [14] -Periódico “La Jornada”, México DF. 10-sep-05 pg 2ª. Por David Carrizales. [15] -Pablo Alatriste Galván, revista mexicana Energía Hoy, noviembre del 2006, pg. 53-57 [16] -http://www.suva.com.mx [17] -http://www.geocities.com/m_alvarez_do/refrigerantes_naturales.html [18] -Adachi T., Hondo T., Kayukawa Y., Watanabe K. Measurements of thermodynamic properties for the propane + isobutane system by the Burnett method. Artículo presentado en el quinceavo symposium de propiedades termofísicas en Boulder, Colorado, U.S.A. 2003.
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
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125
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127
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
APÉNDICES
Apéndice A: Calibración de los indicadores de presión
Apéndice B: Calibración de los indicadores de temperatura
Apéndice C: Ecuación para obtener la densidad, utilizando el método
convencional de dos sustancias de referencia en un densímetro
de tubo vibrante
Apéndice D: Trabajo preliminar en densidad
Apéndice E: Ecuación de Laplace-Young
Apéndice F: Clasificación de las agujas utilizadas para crear gotas pendientes
Apéndice G: Trabajo preliminar en tensión superficial
Apéndice H: Análisis de Incertidumbre en las mediciones
RAÚL ROMÁN AGUILAR
128
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
Apéndice A: Calibración de los indicadores de presión
En este apéndice se presentan los resultados de la calibración efectuada a los tres sensores
de presión, utilizados en esta investigación y que son mencionados en el capitulo 3. El
sensor de 6.894 MPa (1000 lb/in2) se utilizo en la determinación de la densidad, el sensor
de 3.447 MPa (500 lb/in2) en la determinación de la tensión superficial de equilibrio y el
sensor de 1.034 MPa (150 lb/in2) en la elaboración de las mezclas. También, se muestra el
coeficiente de correlación (r2) y la desviación estándar (σ) de cada calibración.
Tabla A.1. Resultados de la calibración del sensor de 1000 lb/in2, utilizado en la determinación de la densidad.
Presión manométrica del sensor calibrado/
lb/in2
Presión manométrica del
sensor patrón/ lb/in2
0 0 99.69 99.41
199.39 199.66 299.15 299.46 400.35 400.7 498.79 499.04 598.26 598.91 699.63 700.18 797.84 798.54 899.04 899.83 997.37 998.19
0
200
400
600
800
1000
1200
0 200 400 600 800 1000 1200
real
Pres
ión
man
omét
rica
real
/ (lib
ras·p
ulga
da-2
)
Presión manométrica del calibrado/libras·pulgada-2
Figura A.1. Curva de calibración del sensor de 1000 lb/in2, utilizado en al determinación de la densidad.
La ecuación de calibración es:
Presión manométrica real/ lb/in2= -1.9 x 10-10 LM3 + 1.9 x 10-8 LM2 + 1.0011 LM - 0.107
r2 = 0.9999 y σp=0.1 lb/in2 (0.0006 MPa) LM= lectura del sensor en lb/in2
RAÚL ROMÁN AGUILAR
129
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
Tabla A.2. Resultados de la calibración del sensor de 500 lb/in2, utilizado en la determinación de la densidad.
Presión manométrica del sensor calibrado/
lb/in2
Presión manométrica del
sensor patrón/ lb/in2
0 049.943 49.93999.827 99.848
149.704 149.757199.593 199.662249.477 249.565299.376 299.464349.969 350.085400.566 400.703449.092 449.149498.873 499.039
0
100
200
300
400
500
600
0 100 200 300 400 500 600
real
Pres
ión
man
omét
rica
real
/ lib
ras·p
ulga
da-2
calibradoPresión manométrica del calibrado/ libras·pulgada-2
Figura A.2. Curva de calibración del sensor de 500 lb/in2, utilizado en al determinación de tensión superficial.
La ecuación de calibración es: Presión manométrica real/ lb/in2 = 5.58 x 10-10 LM3 – 7.2 x 10-7 LM2 + 1.0051 LM - 0.0132 r2 = 0.9999 y σp=0.03 lb/in2 (0.0002 MPa) LM= lectura del sensor en lb/in2
RAÚL ROMÁN AGUILAR
130
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Tabla A.3. Resultados de la calibración del sensor de 150 lb/in2, utilizado en la elaboración de las mezclas.
Presión manométrica del sensor calibrado/
lb/in2
Presión manométrica del
sensor patrón/ lb/in2
0 015.175 15.13430.187 30.1845.204 45.22760.222 60.27275.243 75.31790.258 90.362
105.269 105.407120.3 120.452
135.303 135.497149.605 149.818
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 20 40 60 80 100 120 140 160
real
Pres
ión
man
omét
rica
real
/ lib
ras·p
ulga
da-2
Presión manométrica del calibrado/ libras·pulgada-2
Figura A.3. Curva de calibración del sensor de 150 lb/in2, utilizado en al determinación de tensión superficial.
La ecuación de calibración es: Presión manométrica real/ lb/in2= -1.1 x 10-7 LM3 + 2.93 x 10-5 LM2 + 0.9995 LM - 0.015 r2 = 0.9995 y σp=0.02 lb/in2 (0.0001 MPa) LM= lectura del sensor en lb/in2
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131
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Apéndice B: Calibración de los indicadores de temperatura.
En este apéndice se presentan los resultados de la calibración efectuada a los dos sensores
de temperatura, utilizados en esta investigación y que son mencionados en el capitulo 3.
También, se muestra el coeficiente de correlación (r2) y la desviación estándar (σ) de cada
calibración.
Tabla B.1. Resultados de la calibración del sensor, utilizado en la determinación de la densidad.
Temperatura del sensor calibrado/K
Temperatura del sensor patrón/K
295.82 295.91300.98 301.07307.20 307.28313.49 313.57319.80 319.88326.14 326.21332.50 332.58
290
295
300
305
310
315
320
325
330
335
290 295 300 305 310 315 320 325 330 335
Tem
pera
tura
real
/ K
Temperatura del calibrado/K
Figura B.1. Curva de calibración del sensor de temperatura utilizado en al determinación de la densidad.
La ecuación de calibración es: Temperatura real/K= -1.078 x 10-6 LM3 + 1.029 x 10-3 LM2 + 0.67205 LM + 34.89138 r2 = 0.9999 y σp=0.1 K LM= lectura del sensor en K
RAÚL ROMÁN AGUILAR
132
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Tabla B.2. Resultados de la calibración del sensor, utilizado en la determinación de la densidad.
Temperatura del sensor calibrado/K
Temperatura del sensor patrón/K
296.01 295.91301.18 301.07307.40 307.28313.69 313.57319.99 319.88326.33 326.21332.70 332.58
290
295
300
305
310
315
320
325
330
335
290 295 300 305 310 315 320 325 330 335
Tem
pera
tura
real
/ K
Temperatura del calibrado/K
Figura B.2. Curva de calibración del sensor de temperatura utilizado en al determinación de la densidad.
La ecuación de calibración es: Temperatura real/K= -2.57 x 10-6 LM3 + 2.44 x 10-3 LM2 + 0.23025 LM + 80.8518 r2 = 0.9999 y σp=0.06 K LM= lectura del sensor en K
RAÚL ROMÁN AGUILAR
133
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Apéndice C: Desarrollo de la ecuación para obtener la densidad, utilizando el método
convencional de dos sustancias de referencia en un densímetro de tubo vibrante
Usando dos sustancias de referencia, la ecuación que relaciona los períodos de oscilación
con la densidad, en un densímetro de tubo vibrante es la siguiente:
de tubo vibrante,
C.2
C.3
En estas ecuaciones, se observar que mediante operaciones algebraicas, se pueden obtener
De C.2 se tiene:
C.4
Introduciendo C.4 en C.3, se puede obtener la constante B en función de ρ y τ como sigue:
222 ss BA τρ +=
C.1
2τρ BA+=
donde: ρ es la densidad, A y B son constantes que se determinan a partir de la calibración
del equipo, utilizando dos sustancias de referencia y τ es el período de oscilación.
Si se obtienen los periodos de dos sustancias de densidad conocida, mediante el densímetro
se tiene un sistema de dos ecuaciones como se muestra enseguida:
211 ss BA τρ +=
las constantes A y B para poder introducirlas en la ecuación C.1 de la siguiente manera:
211 ss BA τρ −=
22
2112 )( sss BB ττρρ +−=
RAÚL ROMÁN AGUILAR
134
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12
12
ττρρ
−−
=B C.5
Introduciendo C.5 en C.4, obtenemos la constante A en función de ρ y τ
212 τ112
1 ττρρρ −
−=A −
C.6
Finalmente, introduciendo C.5 y C.6 en C.1, se obtiene la ecuación de densidad de una
sustancia, empleando dos sustancias de densidad conocida en un densímetro de tubo
vibrante.
222
21
21212
221
211 τ
ττρρτ
ττρρρρ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−
−=
RAÚL ROMÁN AGUILAR
135
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Apéndice D: Trabajo preliminar en densidad
En este trabajo preliminar, se determinó experimentalmente la densidad del C10 (Decano) y
C12 (dodecano), utilizando un densímetro que emplea el método de Tubo Vibrante. El
nitrógeno y agua fueron elegidos en este caso como fluidos de referencia para la calibración
del mismo. Las mediciones fueron realizadas a 298.15 K y 313.15 K, a presión atmosférica.
En la tabla D.1 se muestran los resultados de densidad del C10H22 a 298.15 K , obtenidos en
este trabajo [a] y se comparan con los de Robert A. Orwoll and Paul J. Flory. (1967) [b],
observándose un error relativo [c] de 1.1703 %.
Tabla D.1. Densidad del C10 H22 a 298.15 K.
C10H22 T/K ρ (g/cm3) %E [a] [b] [c]
298.15 0.7348 0.7263 -1.1703
En la tabla D.2 se muestran los resultados de densidad del C12H26 a 298.15 K, obtenidos
de este trabajo [a] y se comparan con los de Robert A. Orwoll and Paul J. Flory. (1967) [b],
observándose un error relativo [c] de 0.9124 %.
Tabla D.2. Densidad del C12H26 a 313.15 K.
C12H26 T/K ρ (g/cm3) %E [a] [b] [c]
313.15 0.7276 0.7343 0.9124
RAÚL ROMÁN AGUILAR
136
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Apéndice E: desarrollo de la ecuación de Laplace-Young.
Si denominamos a β como la fase líquida y α al vapor en equilibrio con β; en la figura E.1,
se observa que existe una zona A entre ellas, denominada área de interfase y que cualquier
variación que se efectué a ésta, necesitará un trabajo adicional [67, 68 y 69].
Vapor (α)
Líquido (β)
Figura E.1. Sistema de dos fases denotando la zona de i
El número de moléculas en la región de interfase es proporc
reversible que incrementa el numero de moléculas en la inte
concluyendo que el trabajo necesario para aumentar el área d
dA. Luego entonces, el trabajo reversible necesario para aum
γdA, donde γ es la constante de proporcionalidad que de
denomina tensión superficial, siendo γ una cantidad positiva d
requiere trabajo positivo.
Además del trabajo γ dA para cambiar el área de interfase, e
asociado a cualquier cambio de volumen, donde p es la pr
volumen total del sistema. De modo que el trabajo realizado
fases con una interfase plana (Van Ness y Abbott, 1982) es:
RAÚL ROMÁN AGUILAR
Región interfacial (A )
nterfase.
ional a A y para un proceso
rfase es proporcional a dA ,
e interfase es proporcional a
entar el área de interfase es
pende de ambas fases y se
ebido a que al aumentar A se
xiste también el trabajo –pdV
esión en cada fase y V es el
en un sistema cerrado de dos
137
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dPdVdwrev γ+−= A E.1
Para una interfase curva como la que se muestra en la figura E.2a, la tensión superficial
hace que las presiones de equilibrio en las fases α y β sean diferentes. De modo que si se
introduce más fase β mediante un trabajo reversible, con en el pistón número 1,
absorbiéndose el incremento de volumen mediante el pistón 2 de la figura E.2b. el área de
interfase A entre α y β se verá afectada mediante un incremento en la misma. Por otro lado,
si suponemos que las fases α y β están separadas por una fina membrana sometida a
tensión, esta membrana hipotética ejerce una fuerza neta hacia arriba sobre la fase β,
haciendo que pβ supere a pα.
Pistón 2
R α α
| Pistón 1 β β
A
a)
Figura E.2. Sistema de dos fases: a
b) sección hipotética d
Para considerar esta diferencia de presiones
siguiente manera:
dVpdwrevββ−=
Donde -pβ dVβ es el trabajo p-V realizado sobr
fases β y α, respectivamente.
RAÚL ROMÁ
) sistema con una intee una interfase curva.
, la ecuación
dAdVp γαα +−
e la fase β; Vβ
N AGUILAR
b)
rfase curva
E.1 se
y Vα so
puede expresar de la
E.2
n los volúmenes de las
138
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
Puesto que el volumen de la región de la interfase es despreciable, comparado con el de una
de las fases, se considera que:
0=+= αβ dVdVdV E.3
Despejando se tiene αdVαβ dVdV =− E.4
Tomando en cuenta las ecuaciones E.3 y E.4, la ecuación E.2 se puede escribir como:
( ) dAdVpp γβαβ =− E.5
Si consideramos que R es la distancia desde el vértice del cono hasta la superficie de
interfase entre β y α de la figura E.2b, tenemos que para una esfera:
A =4πR2 dA =8πR
Vβ=(4/3)πR3 dVβ =4πR2
Sustituyendo en la ecuación E.5 tenemos:
Rpp γαβ 2
=− E.6
Esta es la ecuación para una interfase esférica, obtenida por Laplace - Young, hacia 1805.
Apéndice F. Clasificación de las agujas utilizadas para crear gotas pendientes
RAÚL ROMÁN AGUILAR
139
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La obtención de tensión superficial con el método de gota pendiente, se basa en la forma
que toma una gota de la sustancia a medir en condiciones de equilibrio, cundo ésta, está
pendiendo de una aguja de diámetro conocido. De modo que mediante el análisis de las
dimensiones de la misma, se puede relacionar con la ecuación establecida por Laplace-
Young y obtener la tensión superficial.
Dado que todas las sustancias tienen características diferentes, es preciso que al realizar
experimentos de tensión superficial con el método de gota pendiente, se tome la aguja
adecuada para dicho experimento, ya que de lo contrario, la gota que se forme será
inadecuada o no se podrá formar.
En la tabla F.1, se muestran la clasificación de las agujas [63] utilizadas en el método de
gota pendiente, cuyo material de construcción es acero inoxidable y su selección, depende
principalmente de las características del fluido a medir.
Tabla F.1. Clasificación de agujas para formar gotas pendientes.
Color de aguja Diámetro interno (mm) Diámetro exterior ( mm) Verde oscuro 1.702 2.108
Naranja 1.524 1.829 Morado 1.346 1.651 Blanco 1.194 1.499 Rosado 0.991 1.270
Café 0.787 1.067 Amarillo 0.635 0.914
Verde 0.559 0.813 Gris 0.483 0.711
Azul claro 0.406 0.635 Rojo 0.356 0.584 Azul 0.305 0.508
Apéndice G: Trabajo preliminar en tensión superficial
RAÚL ROMÁN AGUILAR
140
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
Se determino experimentalmente la tensión superficial de equilibrio de MDEA (N-
MetilDietanolAmina), en función de la temperatura y presión atmosférica, utilizando un
equipo de tensión superficial que emplea el método de gota pendiente.
En la tabla G.1 se muestran los resultados obtenidos de la calibración del tensiómetro,
utilizando agua en este trabajo [a], también, se presentan los datos de tensión superficial del
agua, medidos a las mismas condiciones por Riddick y Bunger (1972) [b], Ramírez-
Verduzco (2001) [c] y por Águila-Hernández (2004) [d].
Tabla G.1. Tensión superficial de equilibrio del agua, en función de la temperatura.
γ (mN·m-1) T/K [a] [b] [c] [d] 303.15 71.02 71.02 71.12 71.21313.15 69.40 69.42 69.51 69.33323.15 67.75 67.80 67.87 67.93
La tabla G.2 muestra el error relativo entre este trabajo y los reportados por Riddick y
Bunger (1972) [a], Ramírez-Verduzco (2001) [b] y por Águila-Hernández (2004) [c].
Tabla G.2. Error relativo (E) de tensión superficial de equilibrio del agua, en función de la temperatura, entre este trabajo y los reportados por otros autores.
γ (mN·m-1) T/K %E [a ] %E[b] %E[c]
303.15 0.00 0.14 0.27313.15 0.02 0.15 -0.11323.15 0.07 0.18 0.27
La tabla G.3 muestra la tensión superficial de equilibrio de MDEA obtenidas en este trabajo
[a], a tres diferentes temperaturas y los reportados por Álvarez et al. (1998) [b] y Águila-
Hernández (2004) [c].
RAÚL ROMÁN AGUILAR
141
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
Tabla G.3. Tensión superficial de equilibrio de MDEA, en función de la temperatura.
γ (mN·m-1)
T/K [a] [b] [c] 303.15 38.682 38.10 38.67313.15 37.334 37.31 37.29323.15 36.721 36.88 36.65
La tabla G.4 muestra el error relativo de los resultados de MDEA, entre los obtenidos en
este trabajo y los reportados por Álvarez et al. (1998) [a] y el error relativo, entre los
obtenidos en este trabajo y los reportados por Águila-Hernández (2004) [b].
Tabla G.4. Error relativo de tensión superficial de equilibrio de MDA, en función de la temperatura.
γ /mN·m-1
T/K %E[a] %E[b] 303.15 -1.53 -0.03313.15 -0.06 -0.12323.15 0.43 -0.19
Las figuras G.1 y G.2, se presentan una mejor visualización de los resultados obtenidos en
este trabajo. Los errores relativos se derivan del método utilizado, la calibración de los
instrumentos, el control de los parámetros físicos como presión y temperatura según el caso
y la habilidad del experimentalista. Todos estos puntos determinan la calidad de los
resultados, aunados a la capacidad del equipo.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
142
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
67.5
68
68.5
69
69.5
70
70.5
71
71.5
300 305 310 315 320 325
Este trabajo
Riddick y Bunger (1970)
Ramirez-Verduzco (2001)
Aguila-Hernandez (2004)
T/K
T.)
S. (m
N/m
γ
γ/m
N·m
-1
Figura G.1. Tensión Superficial del agua en función de la temperatura.
T/K
36.5
37
37.5
38
38.5
39
300 305 310 315 320 325
Este Trabajo
Alvarez et al. (1998)
Aguila-Hernandez (2004)
T.S.
(mN
/m
γ
γ/m
N·m
-1
T/KT/K
Figura G.2. Tensión Superficial del MDEA en función de la temperatura.
Como puede observarse, los resultados están muy cercanos a los reportados por los otros
dos autores mencionados.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
143
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
Apéndice H: periodos de vibración de las mezclas realizadas, en función de temperatura, presión y concentración
En las tablas H.1 y H.2, se presentan los periodos de vibración de las mezclas binarias
butano + R-124 y butano + R-22, los cuales fueron datos que se introdujeron en la ecuación
de Lagourette y colaboradores para calcular los valores de densidad da cada mezcla, ya que
esta ecuación relaciona los periodos de vibración del densímetro de tubo vibrante con la
densidad, en función de la temperatura y la presión.
Tabla H.1. Periodos obtenidos en este trabajo, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-124 a diferentes temperaturas T y presiones p.
T/K x1
p/MPa 283.15 293.15 303.15 313.15 323.15 0.5 7.656127 7.654092 7.651722
1 7.657335 7.655480 7.653408 7.649341 7.6449341.5 7.658513 7.656856 7.654963 7.651113 7.647285
2 7.659686 7.658214 7.656548 7.655460 2.5 7.660813 7.659550 7.658086
0.364
0.5 7.575116 7.575656 7.575554 1 7.576182 7.576865 7.576975 7.576217 7.574527
1.5 7.577241 7.578083 7.578394 7.577878 7.5767742 7.578284 7.579276 7.579792 7.579506 7.578676
2.5 7.579319 7.580454 7.581151 7.581108 7.580556
0.512
0.5 7.437909 7.441789 1 7.438717 7.442694 7.446500 7.449841 7.452515
1.5 7.439430 7.443589 7.447543 7.451081 7.4539142 7.440213 7.444495 7.448576 7.452192 7.455290
0.771 2.5 7.440991 7.445371 7.449554 7.453330 7.456593
RAÚL ROMÁN AGUILAR
144
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
Tabla H.2. Periodos obtenidos en este trabajo, de la mezcla x1 butano + (1-x1) R-22 a diferentes temperaturas T y presiones p.
T/K x1
p/MPa 283.15 293.15 303.15 313.15 323.15
1 7.618620 7.614504 1.5 7.619676 7.616061 7.608780
2 7.620985 7.617603 7.610029 7.603837 7.5943902.5 7.622264 7.619126 7.611238 7.606417 7.596850
0.236
1 7.486681 7.487604 1.5 7.487887 7.488913 7.489892
2 7.488910 7.490065 7.491362 7.490590 7.4898842.5 7.489805 7.491187 7.492753 7.492694 7.491530
0.506
0.5 1 7.418015 7.421548
1.5 7.418796 7.422482 7.425894 2 7.419598 7.423407 7.426947 7.430679 7.432866
0.691 2.5 7.420396 7.424310 7.427995 7.431891 7.434288
RAÚL ROMÁN AGUILAR
145
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
Apéndice I: Calculo de incertidumbre en las mediciones
Apéndice I.1: Incertidumbre de los valores de densidad, obtenidos a partir Del método de dos sustancias de referencia
En el apéndice C, se mostró que utilizando dos sustancias de referencia, la ecuación que
relaciona los períodos de oscilación con la densidad, en un densímetro de tubo vibrante es
la siguiente:
2τρ BA+=
Obteniéndose finalmente
222
21
21212
221
211 τ
ττρρτ
ττρρρρ ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−
−=
En esta ecuación se observa que las variables que afectan el proceso de obtención de
densidad, son las sustancias de referencia (ρ1 y ρ2) y los periodos de vibración del
densímetro con las sustancias de referencia (τ1, τ2) y de la muestra bajo estudio (τm)
Entonces, para obtener la incertidumbre de la densidad de se tiene:
22
22
2
2
21
2
1
22
2
2
21
2
1τττρρρ ε
τρε
τρε
τρε
ρρε
ρρε ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
= H.1
donde:
)()(
22
21
22
2
1 ττττ
ρρ
−+
−=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂ I.2
RAÚL ROMÁN AGUILAR
146
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
)()(
22
21
221
2 ττττ
ρρ
−+
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂ I.3
222
21
222211
1 )())((2
ττττρρτ
τρ
−−−
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
I.4
I.5 22
221
21
)()(2
ττρρτ
τρ
−−
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂∂
222
21
21
2212
2 )())((2
ττττρρτ
τρ
−−−
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
I.6
El error para la densidad de cada componente es: ερ1= ερ2= ± 0.5 Kg·m-3; ετ1= ετ2 = ετ = ±
0.001s.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
147
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
Apéndice I.2: Incertidumbre de los valores de densidad, utilizando el método de Lagourette, en un densímetro de tubo vibrante para altas presiones. Para determinar los valores de densidad, con el densímetro de altas presiones y el método
de Lagourette, utilizamos:
I.7
Para obtener la incertidumbre de la densidad, en función de las variables que intervienen en
( )),(2
),(2
)(2
)1.0,(2
)1.0,(),(),( pTwpT
TvTw
TwpTwpT ττ
ττρ
ρρ −⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
−+=
la ecuación I.7 se tiene:
2),(
2
),(
),(2),(
2
),(
),(2)(
2
)(
),(2)1.0,(
2
)1.0,(
),(2)1.0,(
2
)1.0,(
),(2),(
2
),(
),(),( )()()()()()( pTw
pTw
pTpT
pT
pTTv
Tv
pTTw
Tw
pTTw
Tw
pTpTw
pTw
pTpT ετ
τρ
εττρ
εττρ
εττρ
ερρρ
ερρρ
ρ ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂
∂+⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂
∂+⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂
∂+⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂
∂+⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂
∂+⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂
∂=∂
I.8
donde:
1).(
),( =⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂∂
pTw
pT
ρρ
I.9
I.10
________________________
)(2
)1.0,(2
),(2
)(2
)1.0,(2
),(2
)1.0,(
),(
TvTw
pTw
TvTw
pT
Tw
pT
τττ
τττ
ρρ
−−
−=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝ ∂∂⎛
),( pTwερ y )1.0,(Twερ es la incertidumbre reportada en los resultados de George S.Kell.
ετ es la desviación están s en particular.
dar del conjunto de valores obtenidos de cada medición de periodo
RAÚL ROMÁN AGUILAR
148
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
I.11
2)(
2)1.0,(
2
),(2
)1.0,()1.0,(2
)(2
)1.0,(2
),(2
)1.0,()1.0,(
)1.0,(
),(
)())()((2
)())()((2
TvTw
pTTwTw
TvTw
pTwTwTw
Tw
pT
τττρτ
τττρτ
τρ
−−
−=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝ ∂∂⎛
2)(
2)1.0,(
2),(
2)1.0,()(
2)(
2)1.0,(
2
),(2
)1.0,()(
)(
),(
)())()((2
)())()((2
TvTw
pTwTwTv
TvTw
pTTwTv
Tv
pT
τττρτ
τττρτ
τρ
−−
−=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂∂
I.12
)(2
)1.0,(2
),()1.0,(
),(
),( ))((2
TvTw
pTTw
pT
pT
τττρ
τρ
−=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂∂
I.13
)(2
)1.0,(2
),()1.0,(
),(
),( ))((2
TvTw
pTwTw
pT
pT
τττρ
τρ
−−=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
∂∂
I.14
Finalmente introduciendo los valores de las ecuaciones I.9 a I.14 en la ecuación I.8 , se
obtuvo la incertidumbre de cada valor de densidad medido, siendo un total de 110
mediciones de densidad y por lo tanto un total de 110 valores de incertidumbre, arrojando
un valor promedio de 1.5 x 10-5 g·cm-3.
RAÚL ROMÁN AGUILAR
149
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
Apéndice I.3: Incertidumbre de las mezclas elaboradas
Una mezcla binaria se puede describir a partir de la siguiente ecuación:
21_ mmbinariamezcla +=
La fracción molar de un sistema binario se obtiene de la siguiente ecuación:
Fracción molar binaria = fracción molar del componente 1 (x1) + fracción molar del componente 2 (x2) = 1
2
2
1
1
1
11
MMm
MMm
MMm
x−
=
12 1 xx −=
La incertidumbre de la fracción molar x1 se obtiene entonces a partir de:
22
2
2
221
2
1
11 mm m
xmxx εεε ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
= I.15
donde:
2
2
2
1
1
11
1
12
2
1
1
1
1
11
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
MMm
MMm
MMMMm
MMMMm
MMm
mx I.16
RAÚL ROMÁN AGUILAR
150
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL APÉNDICES
2
2
2
1
1
21
1
2
1
1
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∂∂
MMm
MMm
MMMMm
mx I.17
Finalmente introduciendo los valores de las ecuaciones I.16 y I.17 en la ecuación I.15, se
obtuvo la incertidumbre de cada mezcla realizada, arrojando un valor promedio de 7 x 10-4
g·mol-1
________________________ Los subíndices 1 y 2, denotan los componentes uno y dos respectivamente
MM = masa molecular del componente puro
ε m= precisión de la balanza donde ε m1=2 veces la precisión de la balanza y ε m2=3 veces la precisión de la balanza y
RAÚL ROMÁN AGUILAR
151