Balance de Materia y Energia en Un Horno de Pan

APLICACION DE LAS LEYES DE LA TERMODINAMICA PARA DETERMINAR Y EVALUAR EL RENDIEMTO DEL HORNO DE LA PANADERIA EL PAN NUESTRO.

CATEDRATICO:

ING. FUENTES LÓPEZ, Walter

ALUMNOS:

LLACSA ALTAMIRANO, Yimi. CONGORA GONZALES, Walter. DELGADO ECHEVARRIA, Victor Jesús.

SEMESTRE ACADEMICO: V - 2008-I HUANCAYO PERU 2008

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DEDICATORIA: A nuestros padres, en reconocimiento a sus ejemplos de lucha y sacrificios por sus hijos y su porvenir

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CONTENIDO DEDICATORIA…………………………………………………………………..2 DEDICATORIA…………………………………………………………………..2 INTRODUCCION ………………………………………………………………5 OBJETIVOS ………………………………………………………………………6 CAPITULO 1: DE LA EMPRES A. RESEÑA HISTÓRICA …………………………………………………………8 B. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA …………………………………………….8 a) nombre de la empresa ………………………………………………..…8 b) representantes legales ………………………………………………...…8 c) ubicación actual…………………………………………………………8 d) Mercado………………………………………………………………...8 e) Misión ………………………………………………………………….8 f) Vision………………………………………………………………..…9 g) Estructura organizacional………………………………………………..9 h) Proveedores …………………………………………………………….9 C. SISTEMA PRODUCTIVO ……………………………………………………10 a) productos ……………………………………………………………..10 b) recursos ………………………………………………………………11 c) maquinas y equipos …………………………………………………...12 d) personal ………………………………………………………………13 e) energía y agua ……………………………………………………...…14 D. Proceso de elaboración del ponque…………………………………………..…14 a) cantidad de ponque fabricado ……………………….…………………15 b) capacidad de planta ………………………………………………...…15 c) porcentaje de utilización de la empresa ……………………………...…15 d) capacidad ociosa del sistema ……………………………………......…15 e) disponibilidad y restricción de recursos ……………………………..…15 E. Diagnostico …………………………………………………………………..16 a) justificación del producto ponque ……………………………………...16 b) proceso productivo del ponque …………………………………...……17 F. Indicadores de calida y productividad …………………………………….....…18 a) calidad ……………………………………………………………..…18 b) productividad …………………………………………………………18 CAPITULO 2 MARCO TEORICO DE LA INVESTIGACIÓN A. Concepto Termodinámicos Fundamentales ………………………………….19 B. Primera Ley de la Termodinámica………………………………………..…24 C. Segunda Ley de la Termodinámica …………………………………….……24 D. Máquinas Térmicas…………………………………………………...……24 E. Eficiencia Térmica…………………………………………………………25 F. Balance de Materia…………………………………………………………25 G. Balance de Energía en sistemas FEES………………………………………26 H. Balance de Energía en sistema FEUS………………………………………27 K. Horno…………………………………………………………………..…28 M. Elaboración del ponque ………………………………………………...…31 N. Petróleo …………………..………………………………………………32

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CAPUTULO 3: OBTENCIÓN Y TRATAMIENTO DE DATOS A. Metodología y Procedimiento Experimenta…………………………34 B. Materiales y equipos ………………………………………………34 C. Características del horno ………………………………………..…35 D. Longitudes y medidas …………………………………………..…37 E. Características de quemador …………………………………….…38 F. Datos para el balance de materia …………………………...………39 G. Datos para el balance de energía …………………………………..40. H. Cálculos y resultados ……………………………………………...42 a) Balance de materia ……………………………………..…42 b) Balance de energía ……………………………………..…45

J. Discusión de Resultados

……………………………………56

CONCLUSIONES………………………………………………………..60 RECOMENDACIONES………………………………………………….61 BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………62

ANEXOS………………………………………………………………...63 ANEXOS………………………………………………………………...63

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INTRODUCCION

La aplicación de la termodinámica en su primera segunda y tercera ley así como el balance de materia, son armas que el Ingeniero Químico ha de hacer en toda su vida Profesional Este hecho hará que el ingeniero químico sea capaz de analizar diversos equipos y procesos en plantas con el fin de buscar, reportar y dar mejoras para la solución problemas En este caso nos dedicamos al estudio del horno de la panadería EL PAN NUESTRO, este horno es industrial y destinado para la panificación. Los hornos de este modelo nuevos tiene una eficiencia mayor al 70% pero debido al uso (tiempo de operación) origino el descenso de esta eficiencia, que en la panadería se manifestó con un alza de los insumos por consiguiente una baja de la productividad nuestro objetivo es realizar un balance de energía para calcular la eficiencia actual del horno de la panadería y comparar esta con la eficiencia de un horno nuevo de este mismo modelo y determinar en que estado se encuentra. Para ello se realizaron una serie de procedimientos descritos en el presente informe. El producto que se eligió para el análisis es el ponque así el proceso comienza desde que se calienta el horno hasta terminar de hornear el ponque Al tomar todos los datos ya sea de temperatura, tiempo de calentamiento y otros nuestro fin será el de aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica y por consiguiente realizar los balances de materia tanto del ponque como del combustible con el fin de poner en practica los conocimientos adquiridos en el curso de termodinámica con los temas actualmente tratados.

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OBJETIVOS

GENERALES

 Aplicación de la primera y segunda ley de la termodinámica en el horno de la panadería “EL PAN NUESTEO”

ESPECIFICOS

 Realizar un balance de materiales en el horno de la panadería “EL PAN NUESTRO” en la elaboración del ponque  Determinar la cantidad de calor generado en la combustión  Determinar la cantidad de calor absorbido en la elaboración de ponque  Determinar la eficiencia del horno en la elaboración de ponque  Inferir en base a la eficiencia el estado en que se encuentra el horno

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CAPÍTULO 1 DE LA EMPRESA A. RESEÑA HISTÓRICA La empresa PAN NUESTRO, tuvo sus inicios en el año 2000. Fue fundada por los esposos Mario Suaznavar y Claudia Huamani, quiénes impulsados por la necesidad de crecer y aprender cada día más, concientes de que esto los ayudaría en un futuro para lograr la materialización de sus sueños coincidieron en invertir en esta micro empresa. La panadería EL PAN NUESTRO, labora desde entonces en la distrito del tambo, específicamente en la calle real numero 701 entre Tello y Lobato distrito del tambo . Allí el Sra. Claudia Huamani junto con su esposo Mario Suaznavar y empleada de confianza Daniel Suaznavar; han logrado conseguir una buena posición dentro del mercado, gracias al sentido de responsabilidad y a la dedicación que les caracteriza como una empresa que busca constantemente satisfacer las necesidades de los clientes e incrementar poco a poco su maquinaria para poder expandirse algún día.

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B. DESCRIPCIÓN DE LA EMPRESA a) NOMBRE DE LA EMPRESA: Pan Nuestro b) REPRESENTANTES LEGALES:  Claudia Huamani, C.I. 10.754.819  Mario Suaznvar Basan, C.I. 12.816.756 c) UBICACIÓN ACTUAL: Calle real 701 entre lobato y Tello, distrito del Tambo d) MERCADO: La panadería EL PAN NUESTRO distribuye en diferentes localidades del Tambo Huancayo, Chilca, Palian, Pio Pata, la florida; Que son los vendedores a quienes reparten semanalmente los productos. e) MISIÓN: La panadería EL Pan Nuestro es una empresa dedicada a la elaboración y venta de productos de panadería y pastelería, dirigidas a satisfacer el gusto de personas de cualquier edad. Atención y responsabilidad de nuestro recurso humano son los principales valores de la empresa, para lograr un producto elaborado con excelente calidad en la materia prima, identificándose siempre por mantener una actitud constante a los cambios e innovaciones.

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f) VISIÓN: Ser reconocidos constantemente por nuestros clientes a través del cumplimiento de nuestros valores y a la excelente calidad de la materia prima utilizada en la elaboración de nuestros productos.

g) ESTRUCTURA ORGANIZACIONAL DE LA EMPRESA: GERENTE GENERAL

AREA DE VENTAS

AREA DE PRODUCION

MAESTRO PANADERO

AYUDANTES

h) PROVEEDORES:  Pandock  Disinca  Dafilca  Leche colibrí

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B. SISTEMA PRODUCTIVO a) PRODUCTOS a.1. PACK DE PAN TRADICIONAL



Pan Perote 500g



Pan de Hogaza 800g



Barra Gallega 220g



Pitufo mantequilla 70g



Candeal Pitufo 70g



Viena Malagueña 120g



Viena Albardilla 50g

a.2. PACK DE PAN ECOLÓGICO

 Pan Perote de producción Ecológica 450g  Chapata de producción ecológica 90g  Integral baguetina de producción ecológica 100g  Baguetina de producción ecológica 100g  Integral con amapolas de producción ecológica 500g  Pan de centeno 6 semillas de producción ecológica 500g

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a-3. PACK DE TORTAS:  Tortas básicas con arequipe.  Torta damero. b) RECURSOS b.1. MATERIALES:  HARINA DE TRIGO: Es el principal componente del ponque. Contiene el gluten que tiene la capacidad de retener gas.  MANTEQUILLA: Extiende la vida útil del producto cuando ya se encuentra listo. Tiene fines energéticos.  AZÚCAR: Sirve de alimento para la levadura y contribuye a darle el sabor necesario a los panques.  HUEVOS: Aumenta el componente proteico de los ponques.  LECHE: Componente esencial para lograr la consistencia deseada de la masa.  PRESERVATIVOS: Ayudan a mantener por mas tiempo el producto.  POLVO DE HORNEAR: Ayuda a aumentar el tamaño de la mezcla.  ADITIVOS ALIMENTICIOS (colorantes, esencias, Mejorador de masa): Se encargan de mejorar y/o corregir las deficiencias presentadas por la harina y otros ingredientes. Se utilizan para obtener una mayor regularidad, seguridad en la producción y simplificación del trabajo. La cantidad (dosificación) de mejorante a usar viene determinada por las materias primas a emplear y por el método de producción que cada panadero decida.

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 CAPACILLOS: Son elementos utilizados para la presentación del panque. c) MAQUINARIA Y EQUIPOS  BATIDORAS Y MEZCLADORAS: Uso: Mezclado de ingredientes junto con el agua. Batido y refinado de la masa. En este proceso se forma el gluten.  BALANZAS: Uso: Se encarga del pesado de la masa.

 HORNOS: Uso: Cocción de productos.

 MESAS DE TRABAJO: Uso:

Colocación,

pesado,

desmoldado y manipulación de los alimentos

 MOLDES PARA TORTAS Y PONQUES:

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13

d) PERSONAL A. GERENTE GENERAL Es el órgano de mayor jerarquía dentro de la empresa, es la representación de los socios, quienes deciden los asuntos propios de la empresa (aumento de capital, aprobación de los balances, flujo financiero) Nombran o renuevan a los Gerentes. B. AREA DE VENTAS: Nombrado por la Junta General de Accionistas, encargado de la promoción del producto en el mercado objetivo, elaboración de políticas de ventas, análisis de las condiciones de potenciales clientes. C. AREA DE PRODUCCIÓN Tanto el Gerente de Ventas y Administrativos se encargarán del planeamiento, control de la producción evaluación y desarrollo de las actividades productivas. D.MAESTRO PANADERO  REQUISITOS: Se requiere que el personal goce de buen estado de salud y que no tenga antecedentes policiales.  HABILIDADES: Se requiere un personal rápido, limpio, responsable y ordenado, con amplia experiencia y dominio de su especialización.  FORMACIÓN: Técnica o adquirida a través de la experiencia. E. AYUDANTES  REQUISITOS: Personal honrado de buen tratar hacia el cliente, con conocimientos básicos de la materia.  HABILIDADES: Personal rápido, limpio, responsable y ordenado.

e) ENERGÍA-AGUA  ENERGÍA: Utilizan la corriente proveniente de la red pública, mediante trifásica de 220 voltios con la finalidad de abaratar los costos y darle más potencia a la maquinaria. Además utilizan un balón de gas de 100 litros que tienen una duración aproximada de 8 días.  AGUA: Utilizan el agua proveniente de la red pública

D. PROCESO DE TRANSFORMACIÓN (TEMA DE ANALISIS PONQUE) El proceso del producto que hemos elegido para analizar es el del ponque, ya que son los que más se producen en la panadería. 

PESADO: Se pesan los ingredientes secos que intervienen en la producción. Este proceso dura aproximadamente 2 minutos.



BATIDO Y MEZCLADO: Consiste en unir y batir los ingredientes que formaran parte esencial de la mezcla hasta conseguir la consistencia deseada.



VACIADO: Consiste en llenar los moldes con la mezcla



MOLDEADO: Consiste en golpear la parte inferior del molde contra una superficie para conseguir que la mezcla quede homogénea y sin burbujas de aire.



HORNEADO: Consiste en introducir los moldes con la mezcla dentro de un horno a 205 0C por 15 min. En cargas de 120 ponques.



ENFRIADO: Consiste en dejar reposar los ponques a temperatura ambiente por un periodo de 1 hora.



DESMOLDADO: Consiste en sacar los ponques del molde una vez que fueron enfriados



EMPACADO: Una vez que los ponques son desmoldados se empacan con bolsas Pre-fabricadas de polietileno y se sellan



ALMACENADO: Consiste en llevar los ponques al área de venta y distribución

a) CANTIDAD DE PONQUES FABRICADOS En la empresa PAN NUESTRO; se fabrican alrededor de 480 ponques diarios dependiendo de la demanda. b) CAPACIDAD DE PLANTA  PORCENTAJE DE UTILIZACIÓN DEL SISTEMA:

 CAPACIDAD OCIOSA DEL SISTEMA: Capacidad ociosa del sistema = 1-% utilización Capacidad ociosa del sistema =1-0.5=0.5=50% c) DISPONIBILIDAD Y RESTRICCIÓN DE RECURSOS Generalmente, hay facilidad para adquisición de los insumos que se necesita para la elaboración de los productos. Con respecto a los proveedores, ellos no establecen un límite con respecto a los pedidos y proporcionan el servicio de transportar los insumos a la misma panadería.

E: DIAGNÓSTICO a) JUSTIFICACIÓN DEL PRODUCTO Para realizar La aplicación de la primera y segunda ley de la termodinámica en el horno de panadería El Pan Nuestro, nos enfocamos principalmente en la producción de Ponques, el cual es el producto de mayor demanda de Pan Nuestro Este producto se elabora todos los días y en cantidades considerables, manteniendo siempre productos disponibles para venta, es decir, teniendo una producción constante para satisfacer la alta demanda de los clientes.

b) PROCESO PRODUCTIVO El proceso de elaboración de ponques de la empresa Pan Nuestro. comienza en la fase 1, cuando son colocados en la mezcladora y batidora 2 apagada la mantequilla y el azúcar. Los cuales fueron previamente pesados junto con la harina en la mesa de trabajo 2, luego de agregar los ingredientes procedemos a encender la maquina para lograr una masa homogénea. Una vez que se enciende la batidora el operario se encarga de agregar uno a uno los huevos en la misma (20 min.). Mientras se mezclan los materiales el mismo operario busca la harina la cual se encuentra en la mesa trabajo 2 y la leche la cual esta en el refrigerador para luego llevarlos al área de batido y agregarlos a la mezcla de forma intercalada (Mezclado automático), este proceso se realiza en 4 cargas (6 min. /Carga). Al concluir la fase 1 se levanta el batidor para sacar la mezcla y en una taza de capacidad 3 Kg. Para ser llevada a la parte superior de los estantes, luego con taza medidora se pasa la mezcla para los moldes (cap. 24 ponques/molde) previamente preparados por el operario 2 colocando en ellos los capacillos se llenan 10 bandejas, luego se trasladan los mismos al horno por el operario 1 el cual esta previamente encendido y a una temperatura de 205°C por el operario 2(Tiempo de horneado 15 min.). Concluido el tiempo de horneado son sacados los ponques por el operario 2 para ser dispuestos en el área de enfriamiento (Tiempo de enfriamiento 1 HR), luego son llevados al área de empacado donde son desmoldados y colocados en bolsas de polipropileno y se sellan, para luego ser trasladados al área productos terminados.

F. INDICADORES DE CALIDAD Y PRODUCTIVIDAD a) CALIDAD: El bajo número de reclamos realizados por los clientes en un mes, a la hora de comprar su producto ( precio, tamaño, otros) El tiempo promedio de espera de los clientes para ser atendidos por el personal de la panadería el oscila entre 5 y 15 min. Numero de contratos realizados al mes para la elaboración de ponques y tortas para fiestas y otros.

b) PRODUCTIVIDAD:

CAPITULO 2 MARCO TEÓRICO

A.

CONCEPTOS TERMODINÁMICOS FUNDAMENTALES

A.3

ENERGÍA INTERNA ( ∆U )

Es la suma de toda la energía que contiene un cuerpo en su estructura. Se produce por las fuerzas intermoleculares causadas por las energías cinéticas y potenciales de los átomos y moléculas del cuerpo.

A.4

TRABAJO ( W )

Cada vez que una fuerza actúa a lo largo de una distancia y produce su respectivo desplazamiento se dice que se produce trabajo, es un tipo de energía transitoria. En un fluido el trabajo se relaciona al cambio en el volumen de éste.

dW = −PdV V2

W = −∫ PdV V1

A.5

CALOR (Q)

Es un tipo de energía transitoria que se transfiere por diferencia de temperaturas entre 2 o más cuerpos. Una de las características del calor es que siempre fluye de una temperatura mayor hacia otra menor.

Cuando se añade energía a un cuerpo en forma de calor, éste se almacena no como calor sino como energía cinética, potencial o como variación de energía interna.

Figura Nº 1: Transferencia de calor Fuente: Referencia 1

A)

CALOR ESPECÍFICO Y CAPACIDAD CALORÍFICA

El calor específico (c) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado de temperatura a un gramo de una sustancia. La capacidad calorífica (C) es la cantidad de calor necesario para elevar un grado de temperatura a una determinada cantidad de sustancia, por lo tanto es una propiedad extensiva.

c=

dQ m.dT

;

C=

dQ dT

⇒ c = mC

En procesos a volumen constante se tiene la capacidad calorífica a volumen constante:  ∂U  CV =    ∂T V

En procesos a presión constante se denomina capacidad calorífica a presión constante:  ∂H  CP =    ∂T P

B)

CAPACIDAD CALORÍFICA DE MEZCLAS GASEOSAS ( Cpmezcla )

Las mezclas gaseosas de composición constante se tratan exactamente de la misma forma que los gases puros. Por tanto, la capacidad térmica del gas o de la mezcla de gases se calcula tomando el promedio molar de las capacidades térmicas de los componentes individuales.

Se tiene:

Cpmezcla = ya Cp A + ybCpB + yC CpC + ... + ynCpn n

Cpmezcla = ∑ yiCpi i =1

Donde A, B, C,…n son los componentes de la mezcla gaseosa, “ y i ” son las composiciones molares de cada componente en la mezcla.

C)

CALOR ESTÁNDAR DE REACCIÓN ( ∆H 298 ) 0

Es el calor que se produce en las reacciones químicas en los procesos endotérmicos (ganancia de energía) o exotérmicos (energía liberada).

0 ∆H 298 =

E) .

(∑n∆H ) 0 f

productos

−

(∑n∆H )

0 f reactivos

EFECTO DE LA TEMPERATURA EN EL CALOR ESTÁNDAR DE

.

REACCIÓN ( ∆H T0 )

Dada la siguiente reacción:´

aA + bB + cC + ...( T1 ) → pP + qQ + rR + ...( T2 )

Como la reacción se establece entre dos temperaturas diferentes a la estándar (298 K) por lo tanto la entalpía de reacción no será igual, se procede a seguir el siguiente esquema corrigiendo la temperatura a las condiciones de trabajo.

Reactantes a T1

Productos a T2

T0=298 K

0 ∆H T0 = ∆H 298 +

0 ∆H T0 = ∆H 298 +

 n. T2 CpdT  +  n. T0CpdT  ∑ ∫ T0  Re ac tan tes  ∫T1  Pr oductos 

∑

∑n.Cpm(T

2

−T0 ) −

Pr oductos

F)

∑n.Cpm(T

1

−T0 )

Re ac tan tes

PODER CALORÍFICO DE UN COMBUSTIBLE (PC)

Se define como la cantidad de calor liberado cuando un combustible se quema por completo en un proceso de flujo estable y los productos vuelven al estado de los reactivos.

El poder calorífico de un combustible es igual al valor absoluto de la entalpía del combustible, es decir:

PC = ∆H c

El valor del PC depende de la fase del agua en los productos. El poder calorífico recibe el nombre de poder calorífico superior (PCS) cuando el agua en los productos está en forma líquida y se denomina poder calorífico inferior (PCI) cuando el agua en los productos está en forma de vapor, se relacionan con siguiente ecuación:

PCS = PCI + ( m.h fg )agua

…(kJ / kg combustible)

Donde m es la masa de agua en los productos por unidad de masa del combustible y hfg es la entalpía de vaporización del agua a la temperatura especificada.

B.

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Aunque la energía tome muchas formas, la cantidad total de energía es constante, y cuando la energía desaparece en una forma, aparece simultáneamente en otras formas.

∆U + ∆Ek + ∆E p = Q + W ∆E = Q + W

C.

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA

•

Ningún equipo puede funcionar de modo tal que su único efecto (en el sistema y sus alrededores) sea convertir completamente todo el calor adsorbido por el sistema en trabajo hecho por el sistema.

•

No existe ningún proceso que consista exclusivamente en la transferencia de calor de un nivel de temperatura a otro mayor.

D.

MÁQUINAS TÉRMICAS

Son dispositivos que producen trabajo a partir de calor en un proceso cíclico, las características fundamentales de los ciclos de todas las máquinas térmicas son la absorción de calor a altas temperaturas, el rechazo de éste a una temperatura baja y la producción de trabajo.

E.

EFICIENCIA TÉRMICA

La eficiencia térmica de una máquina se define como la relación del trabajo neto realizado W por la máquina durante un ciclo, al calor QH tomado por ella de la fuente de temperatura elevada T1.

η= η=

F.

trabajo neto de salida calor de entrada W QH

=

QH − QC QH

=1 −

QC QH

BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA

a)

BALANCE DE MATERIA

El objetivo de hacer un balance de materia es llegar a conocer los caudales y composiciones de las distintas corrientes de entrada y salida de un sistema y las cantidades totales y composiciones que están en el interior del mismo en un momento dado.

Las ecuaciones correspondientes al balance de materia constituyen una de las herramientas matemáticas más útiles de la Ingeniería Química. De hecho, su utilización resulta casi imprescindible para el estudio de cualquier proceso u operación unitaria, y existen un gran número de problemas que pueden resolverse mediante su conveniente explicación.

Los balances de materia son de hecho, una generalización de la ley de la conservación de la materia a sistemas abiertos, esto es, sistemas con posibles entradas

y/o posibles salidas de materia al exterior. Su utilidad en el campo industrial es muy amplia, y en general su complejidad matemática es escasa. En forma más general, el balance de materia se puede representar por medio de la siguiente ecuación:

Entrada

G.

− Salida + Pr oducción = Acumulación

BALANCE DE ENERGÍA EN PROCESOS DE FLUJO EN ESTADO ESTABLE

En este tipo de proceso no ocurre acumulación de materia ni energía dentro del

volumen de control, es decir

o

o

mi = m s ;

dE = 0; dt

y

dm =0 dt

al mismo tiempo el flujo es

o

ya que

Volumen de control

o

varían

las velocidades

1

4

m

m1 3

o

o

o

∑m = ∑m i

o

m4

m3

Donde:

estacionario,

m2

2

s

mi : es la masa que ingresa ms : es la masa que sale

másicas

no

con el tiempo

En la figura: mi = m1 + m2

ms = m3 + m4

Se cumple:

m1 + m2 = m3 + m4

En la ecuación general ordenando, se tiene: o

o

o

Q v .c . + W v .c . = ∑ m s ( hs +

o v s2 v2 + gzs ) −∑ mi ( hi + i + gzi ) 2 2

Si no hay cambio de nivel, es decir la energía potencial es nula: gz i = gz s = 0 la expresión se reduce a: o

o

o

Q v .c . + W v .c . = ∑ m s ( hs +

H.

o v s2 v2 ) −∑ mi ( hi + i ) 2 2i

BALANCE DE ENERGÍA EN PROCESOS DE FLUJO UNIFORME

La masa en el volumen de control varía con el tiempo, es decir, la masa que ingresa no es igual a la masa que sale.

La ecuación de la continuidad quedaría del siguiente modo:

o

o

o

o

m1 + ∑ m i = m 2 + ∑ m s o

o

o

o

( m 2 − m 1 ) v .c . + ∑ m s − ∑ m i = 0 Finalmente queda: o

…

o

o

Q v .c . + W v .c . = ∑ m s ( hs +

o o v s2 v2 v2 + gz s ) − ∑ m i ( hi + i + gzi ) + m 2 ( u2 + 2 + gz2 ) 2 2 2 2 o v − m1( u1 + 1 + gz1 ) 2

Cuando la energía cinética y potencial son nulas:

o

o

o

o

o

o

Q v .c . + W v .c . = ∑m s hs −∑mi hi + m 2 u2 − m1 u1

K.

… (21)

HORNO

Aparato cerrado o recinto donde se produce calor por la combustión de un material, por la residencia de un conductor o por otras fuentes da calor utilizado para someter a transformaciones físicas o químicas a los objetivos que se introducen en ellos.

Hay muchos tipos de horno, que se pueden clasificar según su aplicación y la fuente de energía que utilizan. Una primera clasificación podría hacer para separar los hornos domésticos de los industriales.

a)

HORNOS DOMÉSTICOS

Se utilizan para calentar, asar y gratinar alimentos. Se pueden clasificar a su vez en tres categorías: hornos de gas, eléctrico y microondas, aunque estos últimos funcionan con energía eléctrica.

Los hornos de gas tienen unos quemadores que calientan por radiación; según como circulan los gases de la combustión se llaman de caldeo directo o indirecto. En los hornos eléctricos no se produce combustión; la corriente eléctrica atraviesa unas resistencias o conductos tubulares que se calientan al rojo vivo.

El horno microondas utiliza ondas electromagnéticas de alta frecuencia que penetran en los alimentos y los cuecen por fricción molecular.

b)

HORNOS INDUSTRIALES

Hay muchas industrias que utilizan hornos de diferentes tipos para realizar transformaciones en sus materias primas. Entre estas industrias destacan las panificadoras, la petroquímica, la metalurgia, la industria cerámica y la del vidrio.

c)

HORNO DE TIPO BACH

Son hornos que tienen una sola entrada por donde ingresa una determinada materia y producido el proceso, la salida se realiza por el mismo conducto de ingreso.

d)

EL HORNO EN LA INDUSTRIA METALURGIA

El alto horno emplea coque como fuente de calor y se utiliza para fundir los minerales de hierro y para elaborar ferro-aleaciones.

Para la fusión de minerales rehierro de baja calidad se utilizan hornos bajos. Otro tipo de hornos son los que se utilizan para el tratamiento térmico de los metales, como el recocido o el temple que precisan un control cuidadoso de la temperatura.

e)

HORNEADO: Es un proceso muy importante, pues se somete a la masa a unas temperaturas

determinadas y durante unos tiempos de cocción característicos del tipo de pan.

Al someter al pan a estas temperaturas, que en general suelen ser mayores de 200 grados, se matan a todas las levaduras y a todos los posibles contaminantes excepto

a formas de resistencia, que pueden provocar contaminaciones a la 24-36 horas. También se consigue un aumento de la masa del pan, al expandirse el CO 2 debido al calor y un endurecimiento de la superficie.

Este endurecimiento se produce por la evaporación del agua de la corteza que supone una pérdida de peso de un 8-14 % de la masa.

e)

COMBUSTIÓN:

Se entiende por combustión una oxidación rápida de una sustancia, acompañada de la transformación de la energía química en energía molecular y de un aumento sustancia de la temperatura de los sustancias en la reacción.

La combustión va también acompañada de emisión de luz, que depende de la temperatura alcanzada en la reacción. Por ser éste un fenómeno complejo, se establecerán solo los principios básicos para su aplicación en hornos, plantas térmicas, máquinas de combustión interna.

Una cantidad utilizada frecuentemente en el análisis de procesos de combustión para cuantificar las cantidades de combustible y aire es la relación aire-combustible (AC). Suele expresarse en base de masa y se define como la relación entre la masa del aire y la masa del combustible en un proceso de combustión.

AC =

maire mcombustible

… (24)

M.

ELABORACIÓN DE LA PONQUE El tipo, la calidad y la proporción de los ingredientes son factores determinantes de la

calidad de los productos fabricados. Otros puntos importantes, y que deben ser observados:



Temperatura de los ingredientes durante lo preparo;



Orden y métodos de mezclar los ingredientes;



Temperatura y periodo de tiempo para asar.

Del uso correcto del horno dependerá el éxito de la fabricación de las galletas necesario estar atento y usar siempre la temperatura indicada en las recetas. Ingredientes

Tabla Nº 1: Composición de la galleta de agua Fuente: Panadería El Tío Juan

Componentes sólidos

Componente Harina azúcar sal NaHCO3 NH4HCO3 Ácido ascórbico Mejorador de masa sacarina

Agua

6,500 total

Preparación:

Masa (kg) 50,00 3,000 0,800 0,100 0,050 0,025 0,150 0,005 60,63



Se mezcla todo muy bien hasta obtener una masa homogénea y consistente. Al principio no parece que tenga que cuajar debido a la gran cantidad de harina, pero tras trabajar la masa durante un rato va adquiriendo forma y consistencia



Una vez que la masa está lista se divide en partes iguales y se les da la forma deseada



A continuación se coloca cada galleta cuidadosamente en una bandeja previamente enharinada



Se pone la bandeja en el horno y se hornea durante 18 minutos a una temperatura de 260 ºC



En el momento que las galletas empiezan a quedar tostadas se retiran del horno y se dejan enfriar. Una vez enfriadas se pueden sacar de la bandeja y ya están listas para probarlas



Estas galletas se pueden modificar añadiendo una cucharadita de cacao, frutos secos o canela en la mezcla de la masa dándole un sabor único y característico.

N.

PETROLEO

COMPOSICION:



Hidrocarburos líquidos, que forman la parte principal.



Hidrocarburos gaseosos, especialmente metano, acetileno, y butano, que se suelen encontrar almacenados en el subsuelo a enorme presión.



Hidrocarburos sólidos, como el asfalto y betunes disueltos en los hidrocarburos líquidos, los únicos que impregnan las rocas superficiales, cuando los demás, mucho más volátiles, se disipan en la atmósfera. El petróleo está formado por hidrocarburos, que son compuestos de hidrógeno y

carbono, en su mayoría parafinas, naftenos y aromáticos. Junto con cantidades variables de derivados hidrocarbonados de azufre, oxígeno y nitrógeno. Cantidades variables de gas

disuelto y pequeñas proporciones de componentes metálicos. También puede contener, sales y agua en emulsión o libre. Sus componentes útiles se obtienen por destilación en las refinerías de petróleo. Los componentes no deseados: azufre, oxígeno, nitrógeno, metales, agua, sales, etc., se eliminan mediante procesos físico-químicos. El número de compuestos es muy grande. La mayoría de hidrocarburos aislados se clasifican como:

 Hidrocarburos parafínicos: Son hidrocarburos saturados homólogos del metano (CH4). Su fórmula general es CnH2n+2  Cicloparafinas-Naftenos: Son hidrocarburos cíclicos saturados, derivados del ciclopentano (C5H10) y del ciclohexano (C6H12). Muchos de estos hidrocarburos contienen grupos metilo en contacto con cadenas parafínicas ramificadas. Su fórmula general es CnH2n

 Hidrocarburos aromáticos: Son hidrocarburos cíclicos insaturados constituidos por el benceno (C6H6) y sus homólogos. Su fórmula general es CnHn. Otros hidrocarburos:

 Olefinas: Son moléculas lineales o ramificadas que contienen un enlace doble de carbono. Su formula general es CnH2n  Dienos: Son moléculas lineales o ramificadas que contienen dos enlaces dobles de carbono. Su fórmula general es CnH2n-2

CAPITULO IV OBTENCION Y PROCESAMIENTO DE DATOS EXPERIMENTALES A. MATERIALES Y EQUIPOS  Horno Industrial para panificación  Termómetro  Pirómetro  Balanza  Wincha B. PROCEDIMIENTO  Mida todas las longitudes del horno como alto, largo ancho y el espesor de las paredes (estos datos se pueden encontrar en el respectivo catálogo del horno), el material que esta dentro de las paredes del horno y sus respectivos espesores.  Cerciorarse de las cantidades de material seco en la masa para la fabricación de galletas de agua, anote toda su composición.

 Controle el tiempo de operación y el volumen de combustible usado, estos datos son conocidos por el encargado del horno.  Anote y mida la temperatura del ambiente (termómetro) y cuando finalice el proceso el interior del horno y exterior del horno (pirómetro).  Para determinar la cantidad de agua contenida aun en las galletas, escoja 1 de cada lata, tritúrelas y lleve a secado lento, así se determinará la cantidad de agua que tenía.

C. DATOS OBTENIDOS a) CARACTERÍSTICAS DEL HORNO DE LA EMPRESA PAN NUESTRO:  MODELO o Horno industrial marca BRITO- HNOS,HR-30.

 TIPO DE MOTOR o Quemador automatico marca AUTOQUEN a turbina reductor de calecita marca DI NINNO o Motor marca INDELA con rodamiento SKF o Arranque de motores por contactores con protectores termicos

 CAPACIDAD o 15 bandejas o Medida de la bandeja 70 por 60 cm.

. .

o Cada lata contiene 24 panes

 TEMPERATURA DE OPERACIÓN o 240 ºC

 TIEMPO DE COCCIÓN DEL PONQUE o 15min. (promedio)

COMBUSTIBLE



o Petróleo Diesel 2 ligero o 2gal / hora  MATERIAL QUE LO COMPONE: Construido de acero inoxidable, tablero de comando e simple funcionamiento ladrillo refractario y fibra de vidrio en los aspectos generales.  MANTENIMIENTO: Mínimo mantenimiento y muy bajo costo operativo, se consigue un mínimo de combustible por hornilla cuyo revestimiento es de acero inoxidable  CONTROL DE TIEMPO Y TEMPERATURA: Control de tiempo temperatura digital y vaporizador automático  CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO: Fácil de operar, se logar uniformidad en las 15 latas de cocción por ser rotatorio, una vaporización excelente y un desarrollo de mercadería muy bueno, logrando en el caso del pan un excelente color y brillo, y en el caso de la pastelería, el piso necesario.

D. LONGITUDES Y DISEÑO DEL HORNO

2.5m

1.602m 0.35m

3m

hns

2.25m

2.250m

2.20m

FRONTAL

LATERAL

El espesor mide aproximadamente 24 cm y esta compuesto de los siguientes componentes: 0.008 m

0.124 m

0.1m

0.008 m

Acero inoxidable Ladrillo refractario Fibra de vidrio

Tabla Nº 2: Componentes y dimensiones de la pared

MATERIAL Chapa de Acero (interno y externo) Ladrillo Refractario Fibra de Vidrio

E. CARACTERÍTICAS DEL QUEMADOR

LONGITUD (M) 0,008 0,124 0,100

Información General Relación aire 20.0 combustible (AC) Consumo de Diesel 2 2.0 gal/h ligero Eficiencia en combustión 94% completa (promedio) Temperatura de salida

600ºC

F. INFORMACIÓN PARA EL BALANCE DE MATERIA Para el presente balance se tiene la composición de la masa inicial para la elaboración de

.

PONQUES

COMPONENTE MANTEQUILLA AZUCAR HUEVO ARINA LECHE MEJORADOR DE MASA SACARINA NaHCO3 NH4HCO3 AGUA Total

PESO (g) 0,186 0,9317 0,2683 2,7951 0,2795 0,05 0,05 0,01 0,01 0,5216 5,1022

Esta cantidad se utiliza para cada pasadas en el horno entonces 5.1022g sera el peso total de alimentación, obteniéndose como producto seco (pesado en balanza) resultado una masa de ponques de 4.8863g.

Se asumirá como composición del aire como: % nO2 = 21 % nN 2 = 79

El gasto para una pasada de 15min en el horno se calcula mediante:  1h  2.0 gal  gasto = 15 min .   = 0,5 gal  60 min  1h 

La densidad del petróleo Diesel 2 ligero varía entre: 0,78-0,84 kg/L; entonces tomamos un promedio de estos; para cometer menos errores y desviaciones, igual a 0,81 kg/L.  3,785 L  0,81kg  masa combustible = 0,5 gal.  1gal   1L  =1,5329kg   

Para el petróleo se tiene los siguientes datos (se utilizará el PCI ya que en el proceso el agua sale como vapor): Tipo de Petróleo Poder Calorífico Inferior (PCI) (kJ./ kg.) Composición Cenizas C H O N Agua S

Diesel Nº 2 43 200 %peso 87,13 12,60 0,040 0,008 0,002 0,220

La masa de galletas obtenidas es de 4.8863g y se analiza la composición de una estas, triturándola, se pesó y se llevó a secado, se volvió a pesar; entonces se hizo las composiciones porcentuales en masa de la galleta: %ωsólidos = 93,22 %ωagua = 06,78

Se adjunta el diagrama para el balance masa en la hoja siguiente con todos los datos que se expuso. G.

INFORMACIÓN PARA EL BALANCE DE ENERGÍA Se tiene la siguiente información sobre el combustible: Tabla : Información General del Combustible

Combustible

Diesel 2 ligero

Masa molar (kg / molkg)

170

Densidad (kg / L)

0,78-0,84

Cp (25ºC) (kJ / kg. K)

2,2

Poder calorífico superior (25ºC) (kJ / kg)

46 100

Poder calorífico inferior (25ºC) (kJ / kg)

43 200

Temperatura adiabática de flama (ºC)

527

La siguiente tabla contiene información acerca de las conductividades térmicas de las especies que integran la pared. Tabla : Conductividades térmicas de los aislantes

Material Acero Ladrillo refractario Fibra de Vidrio

Conductividad Térmica “k” (W / m.K) 45.28 1,000 0,043

Se tiene la capacidad Calorífica de la galleta (sólidos): 2,508 kJ. / kg. ºC Se tiene las capacidades caloríficas de los gases de chimenea que se producirán. Tabla : Capacidades Caloríficas Compuesto

Cp (J/ molg.ºC)

Rango T (ºC)

CO2 ( g )

-2

-5

2

-9

3

36,11+4,233x10 T-2,8870x10 T +7,464x10 T

0 – 1500

CO( g )

28,95+0,411x10-2 T+0,3548x10-5 T2-2,220x10-9 T3

0 – 1500

H 2O( v )

33,46+0,688x10-2 T+0,7604x10-5 T2 -3,593x10-9 T3

0 – 1500

O2 ( g )

29,10+1,158x10-2 T-0,6076x10-5 T2 +1,311x10-9 T3

0 – 1500

N 2( g )

29,0+0,2199x10-2 T+0,5723x10-5 T2 -2,871x10-9 T3

0 – 1500

SO2 ( g )

38,91+3,904x10-2 T-3.1040x10-5 T2 -8,606x10-9 T3

0 – 1500

Se adjunta el diagrama para el balance de energía en la hoja siguiente con todos los datos que se expuso.

H. CALCULOS Y RESULTADOS a) BALANCE DE MATERIA

E=S G: GASES DE COMBUSTION M: MASA INICIAL

C: CORRIENTE DE COMBUSTIBLE ALIMENTADO

HORNO

V: VAPOR ELIMINADO

P: MASA FINAL

A: AIRE ALIMENTADO

COMPOSION DE AIRE TOTAL (TOTAL=1.533kg)

COMPONENTE C H O

%W 87.13 12.6 0.04

m (Kg) 1.335702 0.193158 0.0006130

n(molKg) 0.1113 0.1932 3.83x10-5

PM 12 1 16

N

0.008

0.000123

8.786x10-6

14

AGUA S TOTAL

0.002 0.22 100

0.000031 0.003373 1.533

1.72x10-6 1.054x-4 0.3046542

18 32

Asumiendo combustión completa e incompleta COMPLETA

INCOMPLETA 1

C + O2 → CO( 2) C + O2 → CO2 (1) 2 Determinaremos la cantidad de CO2; H2O; SO2 en chimenea 1 H 2 + O 2 → H 2 O ( 3) 2

Para (1)

S + O2 → SO2 ( 4)

1molkg CO2  94  molkg CO2 producidos = 0,1113molkg C    100   1molkg C

  = 0,104622molkg CO2  

1molkg O2  94  molkg O2 estequiometrico = 0,1113molkg C    100  1molkg C

  = 0,0.10622molkg O2  

Para (2) 1molkg CO   6   = 6.678 x10 −3 molkg CO molkg CO producidos = 0,1113molkg C    100  1molkg C   0.5molkg O2  6  molkg O2 estequiometrico = 0,1113molkg C    100   1molkg C

  = 3.339 x10 −3 molkg O2  

2

Para (3) 1molKgH 2 molkg H Oproducidos = 0,1932 molkgH   2molKgH 

1molkgH O       1molkgH  = 0.0966molkgH O  

1molKgH 2 molkg O2 estequiometrico = 0,1932molkgH   2molKgH  2

Para (4)

  0.5molkgO2   1molkgH 

  = 0.0483molkgO2  

1molkgSO  −4 molkgSO producidos =1.084 x10 −4 molkgS   1molkgS   =1.084 x10 molkg CO   1molkg O2  −4 molkg O2 estequiometrico =1.084 x10−4 molkgS   1molkgS   =1.084 x10 molkg O2   2

Cantidad de N2 y O2 Alimentados 1molkgN  −4 molkgN a lim encombus = 8.786 x10−6 molkgN   2molkgN   = 4.393 x10 molkg CO   1molkg O2  −5 molkg O2 a lim encombus = 3.83 x10−5 molkgO  2molkgO   = 1.915 x10 molkg O2   2

Calculo de la cantidad de aire alimentado (A) A=masa de aire alimentado=(A.C)masa combust.=(20)(1.533)Kg=30.66Kg de aire alim.  1molkg airea lim en  molkgairea lim en = 30.66 Kgairea lim en  28.998 Kgdeairea lim en   = 1.0573molkgairea lim en    21molkg O2  molkgO2 a lim en = 1.0573molkgaire  100molkgaire   = 0,222molkgO2  

(

)

molkgO residual = 0,222molkgO 0.10622 + 0.003339 + 0.0483 +1.054 x10−4 −1.915 x10 −5 = 0.06405m  79kgN 2  molkgN 2 a lim en = 0,0573molkgAA  100molkgAA   = 0,8353molkgN 2 a lim en   molKgN 2enchimenea = 0.8353molKgN 2 A + 4.393 x10 −6 molKgN 2 deC = 0.8353molKgN 2enhimenea

(

)

Composicion de gases de chimenea molkgN 2 = 0.8353molKgN 2 a lim en + 4.393 x10 −6 molKgN 2 = 0.8353molkgN 2 molkgH Oengasdechimenea = 0.0966 molKgH 2O molkgO engasdechimenea = 0.006405molkgO engasdechimenea molkgCO engasdechimenea = 0,.104622molkgCO2engasdechimenea molKgCOengasdechimenea = 6.678 x10 −3 molKgCOengasdechimenea molKgSO2engasdechimenea =1.054 x10−4 molKgSO2 engasdechimenea

b) BALANCE DE ENERGÍA APLICACIÓN DE LA PRIMERA LEY Para calcular la cantidad de calor que brinda el combustible al horno, nos situamos en el quemador, éste viene a ser un sistema de flujo tipo FEES, aplicamos la ecuación: 0

0

0

0

Q = m P h P − m C hc − m A h A

Si se conoce el tiempo de operación (18 min.) las variables de flujo se pueden escribir así:

Q = m P hP − m C hc − m A h A

Reordenado la ecuación (26) se obtiene:

    Q = m P hP  − mC hc + m A hA    productos   reac tan tes Q=

∑H − ∑H

productos

reac tan tes

QI = ∆H c

Se obtuvo el calor de combustión, pero la información que se expuso anteriormente es en base a los datos estándar entonces estamos obligados a evaluar esto calor y corregirlo con la ecuación que e nuestra continuación: Reactantes a T1 =18 ºC 291K

T0=298 K

Productos a T2 =Ta

∆H C = ∆H C0 ( 298 ) +

 n. Tad CpdT  +  n. 298 K CpdT  ∑ ∫ 298 K  Re ac tan tes  ∫291K  Pr oductos 

∑

Cp combustible (25ºC) ∆H c0 =

-PCI (25ºC) T1 Ta

2,2 kJ / kg. K -43 200 kJ / kg 291K (T de alimentación) 600 ºC 873 K

Para los productos se calculará el Cp mezcla con la ecuación (6) y las tablas 8 y 11:

Tabla : Capacidades Caloríficas

Rango Compuesto

Cp (J/ molg.ºC) (ºC)

CO2 ( g )

CO( g )

H 2O( v )

O2 ( g )

N 2( g )

SO2 ( g )

36,11+4,233x10-2 T-2,8870x10-5 T2+7,464x100 – 1500 9 T3 28,95+0,411x10-2 T+0,3548x10-5 T2-2,220x100 – 1500 9 T3 33,46+0,688x10-2

T+0,7604x10-5

T2 0 – 1500

-3,593x10-9 T3 29,10+1,158x10-2

T-0,6076x10-5

T2 0 – 1500

+1,311x10-9 T3 29,0+0,2199x10-2

T+0,5723x10-5

T2 0 – 1500

-2,871x10-9 T3 38,91+3,904x10-2 T-3,1040x10-5 T2 -8,606x100 – 1500 9 T3 Cpmezcla = ya Cp A + ybCpB + yC CpC + ... + ynCpn n

Cpmezcla = ∑ yiCpi i =1

Entonces se tiene el valor de Cp mezcla:

T

Cp mezcla = 30 ,1318 + 7 ,412 x10 −3 T + 1,477 x10 −6 T 2 − 1,564 x10 −9 T 3

…(J/molg. ºC)

Haciendo el cálculo de:

Ta 600 º C   J    n.∫298 K CpdT   =1,1073554molkg ∫25 º C Cp mezcla dT     Pr oductos   mo lg .ª C 

∑

Ta   n.∫298 K CpdT   =1417,6kJ  Pr oductos 

∑

Finalmente para:

291K 298 K 298 K 298 K   n.∫298 K CpdT   = n ∫291K Cp combustible dT + n ∫291K Cp N 2 dT + n ∫291K Cp O2 dT  Re ac tan tes 

∑

291, K 298 K 25 º C   kJ J  + 835.3mo lg ∫ Cp N 2 dT   n.∫298 K CpdT   =1,533kg   ∫291K 2,2dT    mo lg .º C   + 222.0m 18 º C     kg . K Re ac tan tes  

∑

291K   n.∫298 K CpdT   = +23,6kJ + 169.85kJ + 45.6kJ = +239,05kJ  Re ac tan tes 

∑

Reemplazando estos valores y en la ecuación

∆H C = Q I = −43200(1,533) + 1417.6 + ( 239.05) = − - 64581,91kJ

Entonces se tiene el calor que genera el quemador a las condiciones de trabajo y como es de esperarse el signo es negativo.

Ahora nos situamos en el horno, viene a ser un sistema cerrado ya que los gases de chimenea conducirán y disiparán el calor del quemador por las paredes del horno; en sí el sistema lo conforman el aire circundante en el horno y las ponques; al inicio estaban a una temperatura de 18ºC (T1) y llegarán a 250ºC (T2) donde el sistema es estacionario.

En el proceso de cocción de la ponque, un porcentaje de agua en ésta se separará en forma de vapor. Entonces una parte del calor irá al sistema y la otra se ira con los gases de chimenea, con pérdidas mínimas en las paredes del horno.

Como se ve en el diagrama 2, en el horno se plantea el siguiente balance:

∆E = Q + W ∆E c + ∆E p + ∆U = Q + W

Donde:

∆E c = 0; ∆E p = 0;W ≈ 0

; entonces la ecuación queda reducida:

∆U sistema = Q ∆U solidos + ∆U agua + ∆U aire = QII − QIII

… (32)

Donde: QII , calor absorbido de la combustión ; QIII ,calor perdido en el gas de chimenea y en las paredes del horno.

Haciendo los cálculos respectivos para la parte izquierda de la ecuación (32), se define a la ∆U = ∆H − ∆pV :

Para los sólidos:

El término ∆pV se puede igualar a 0, ya que la interacción de la presión y los cambios de volumen son insignificantes, también lo son para los líquidos.

∆U sólidos = ∆H T2

∆U sólidos = m ∫ CpdT T1

Donde:

msólidos = P (ωP ,sólidos ) = ( 4.8863) = 4.8863kg

Cp sólidos = 2,508( kJ / kg .º C ) T1 = 18º C ; T2 = 250º C

Entonces reemplazando estos datos: ∆U sólidos = 12,2548404kJ

Para el agua y el aire:

Se dijo que durante la cocción de la galleta el agua se mantenía en la masa hasta la temperatura de 89ºC (temperatura de vaporización del agua en Huancayo) de ahí para adelante el agua se convirtió en vapor y formó una mezcla con el aire contenido en el horno.

Se calculará la variación de energía a partir 18 ºC hasta los 89 ºC como líquido, en los 89 ºC hay un cambio de fase, para finalizar se tomara otra variación de energía de 89 ºC hasta los 250 ºC y para el aire se utilizara las tablas termodinámicas a bajas presiones:

Agua: 89 º C 250 º C ∆U agua = n ∫ CvdT + u fg ( 89 º C ) + ∫ CvdT    89 º C  18 ªC 

Se tiene:

La magua = 0.2559kg 0,01422mo lg Para líquidos Cv ≈ Cp , entonces para A 89 ºC,

Cv agua = 4,18kJ / kg .º C

.

u fg = 2120 ,6kJ / kg

Para gases se puede considerar Cv = Cp − R ,el Cp del vapor de agua se encuentra en la tabla 6 y R = 8,314 J / mo lg .º K .

∆U agua = 2368kJ

Aire: Estado 1; T1 = 18º C ,u1 = 206,92kJ / kg Estado 2; T2 = 250º C , u 2 = 380,04kJ / kg

Volumen del horno interior: V = [1,602 − 2( 0.232 ) ][ 2.2 − 2( 0.232 ) ][ 2,25 − 0,4]m 3 = 4.297 m 3

Densidad del aire a 18ºC:

ρ=

Entonces:

520mHg ( 28,84 g / mo lg ) PM = = 0 ,826 g / L = 0 ,826kg / m 3 RT 62 ,4( mHg .L / mo lg .K )( 291K )

∆U aire = m( u 2 − u1 )  0,826kg  ∆U aire = 4.297 m 3  ( 381,88 − 206,92 ) kJ / kg 3  1m  ∆U aire = 621.0kJ

Sumando estos términos de la parte izquierda de la ecuación (32) se obtiene: ∆U sistema = ∆U solidos + ∆U agua + ∆U aire ∆U sistema = 2368 + 2368 + 621.0 = 20092,924kJ

Situémonos ahora en la parte derecha de la ecuación (32), entonces ya podemos definir algunas variables: La expresión QIII se subdivide como: QIII = Q gases chimenea + Q paredes

Para los gases de chimenea:

Se puede calcular con el inverso del calor que se elimina al medio ambiente, ya que este calor es retenido dentro del horno por los gases de chimenea y es expulsado al ambiente.

18 ºC

QgCh = −n ∫

260 ºC

Cp mezcla dT 18 º C

QgCh = −110,73mo lg ∫

250 º C

QgCh = 8361.55kJ

Para las paredes del Horno:

Cp mezcla dT

Aplicaremos la ley de Fourier para transferencia de calor de “n” materiales en serie de área transversal A constante:

o

Q=

T1 − Tn n ei ∑ i =1 Ak i

En las tablas 2 y 7 se encuentran las respectivas longitudes del horno, los espesores (ei) de los materiales que componen las paredes laterales y frontales.

Parades laterales: AL = ( 2.2 − 2 x0.232)( 3.0 − 0,4) m 2 = 2,626m 2 o

QL = 2 Q ∆t =     60 s  ( 250 −34 )º C  1kJ  2(18 min )    1 min  2 x 0,008 0,124 0,1  s.º C  1000 J    + +      2,626 x 45,28 2,626 x1,00 2,626 x 0,043   J   

QL = 623,512kJ

Parades frontal y posterior: AFP = (1,602 − 2 x0,232)( 2,52 − 0,35) m 2 = 3,168m 2 o

QFP = 2 Q ∆t =     ( 60 s  20 −36 )º C  1kJ  2(18 min )    1 min  2 x 0,008 0,124 0,1  s.º C  1000 J   + +       2,626 x 45,28 2,626 x1,00 2,626 x 0,043  J     

QFP = 752,203kJ

Para el Techo y la Base:

El espesor para el techo es de 0,35 m y para la base (charola de piso) es de 0,05 m que solas contienen fibra de vidrio (0,338 m para el techo y 0,038 m par el piso) recubiertas con la chapa de acero por los dos lados de espesor 0,006 m. 2 2 AT = (1,82 − 2 x0 ,18)(1,57 − 2 x0 ,18) m = 1,767m o

QTB =Q ∆t =

    ( 250 −34)º C ( 250 −34 )º C  1kJ (18 min ) 60 s  +  1 min   2 x0,006 0,338 0,038  s.º C   2 x 0,006  s.º C  1000  +      1,767 x 45,28 +1,767 x0,043    J  1,767 x 45,28 1,767 x0,043  J   

QTB = 537 ,931kJ

Entonces: Q paredes = 623,512 + 752 ,203 + 537 ,93 = 1913,645kJ Por lo tanto: QIII = 1913,645 + 8361.55 = 10275.2kJ

Qalrededores = QII − QIII Qalrededores = 64581,91 + 10275.2 = 34213,791kJ

Igualando estos términos se observa una deficiencia en el término de la derecha, y esto es debido a que dentro del sistema hay otros componentes que también participaron en el proceso, como las latas y el soporte rotatorio y espiguero.

∆U sistema = Qalrededores ∆U solidos + ∆U agua + ∆U aire = QII + QIII 20092,924 KJ ≠ 14306.71KJ

Entonces las pérdidas de calor de estos componentes lo representaremos como

Qf

entonces su valor queda definido como:

∆U solidos + ∆U agua + ∆U aire = QII + QIII + Q f Q f = 20092,924 −14306.71 = 5786.2 KJ

B.2

Aplicación de la Segunda Ley

a) Cálculo de la eficiencia Ideal o reversible

η rev = 1 −

TL TH

Donde TH: Temperatura del depósito caliente TL : Temperatura de depósito frío

ηrev = 1 −

Tambiente Tquemador

18 + 273 = 0,66 600 + 273 = 66.7%

ηrev = 1 − %ηrev

Esta es la máxima eficiencia que podría alcanzar el equipo si trabajara reversiblemente (máquina de Carnot).

b)

Cálculo de eficiência real η = 1−

Donde TH: Calor del depósito caliente TL :Calor del depósito frío

QL QH

η=

E util coccion E entregada combust .

20092.924 = 0,3111 64581.91 %η = 31.11%

η=

Como se observa el postulado de que no existe una máquina que opere con un 100% de eficiencia, se cumple y se verifica que la eficiencia ideal del equipo siempre es mayor que la real.

J. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

a)

BALANCE DE MATERIA

Para inferir sobre el balance de materia primero identifiquemos las corrientes que nos ilustra la siguiente gráfica

G: GASES DE COMBUSTION M: MASA INICIAL

C: CORRIENTE DE COMBUSTIBLE ALIMENTADO

HORNO

V: VAPOR ELIMINADO

P: MASA FINAL

A: AIRE ALIMENTADO

Ahora los valores numérico que se calcularon en la parte experimental son : CORRIENTE M=masa inicial C=combustible G=gases de combustión V=vapor eliminado P=ponque elaborado A=aire alimentado

PESO EN kg 5.1022 1.533 31,9738976 0.2159 4.8863 30.66

De esto inferimos lo siguiente: Que la masa inicial para la elaboración del ponque es 5.1022kg pero en el proceso se pierde 0.2159kg de agua que escapa conjuntamente con los gases de chimenea quedando 4.8863kg de ponque como producto pero la cantidad de agua que se le añadió a la masa es 0.65kg lo que quiere decir que el ponque tiene %ωsólidos = 93,22 y %ωagua = 06,78 humedad

En cuanto al combustible se utilizó 1.1022kg y el aire que se absorbió de la atmósfera por el quemador es de 30.66kg considerando que se tubo una reacción completa de 94% y una relación aire combustible de 20.0 (proporcionado por el catalogo del mismo) se generaron

31.9738976kg en los gases de chimenea, en el balance de materiales

realizado en la parte experimental se hace notar que solo 99,32% de la masa que entra al sistema sale por los gases de chimenea esto quiere decir que 0,68% de la masa se queda atrapada en el sistema quizás como sólidos adheridos a las paredes del quemador o en los conductos de chimenea etc., o quizás como gases que escapan por otros conductos o que queden atrapados en el sistema. Este balance fue realizado para obtener datos masicos que nos permitieron calcular lo que nos interesa,’EL BALANCE DE ENERGÍA EN EL HORNO’

b)

BALANCE DE ENERGÍA

La aplicación de la primera ley para sistemas cerrados al horno da buenas aproximaciones como se demuestra en el balance, habiendo usado datos estándar que previamente fueron adecuados a los de nuestras condiciones de operación se determinó la cantidad de calor en cada una de las fuentes estas están reflejados en la siguiente grafico:

CALOR PERDIDO EN LOS GASES DE CHIMENEA

Q2

CALOR PERDIDO POR LAS PAREDES CALOR EN COMBUSTION CALOR ABSORVIDO POR EL SISTEMA

Q1

CALOR A LOS ALREDEDORES

Los valores numéricos de los calores so los siguientes CALOR Q (kJ) EN CHIMENEA - 8361.550 EN PAREDES -1913.6450 EN SISTEMA 20092.924 -34213.791 EN ALREDEDORES EN COMBUSTION 64581.90

%Qr 12,94720147% 2,963128529% 31,11230993% 52,97736007% 100.000000%

Ahora bien el sistema que se eligió en la parte experimental es el interior del horno compuesto por ponque, aire, agua. Ahora bien el signo que se muestra en la tabla corresponde negativo para todas las corrientes de calor que salen del sistema y positivo para todo aquellos que entran o se mantienen en el sistema. Para el gas de combustión a las condiciones estándares este valor es 66225.6kJ pero no se trabajo a condiciones estándares así que al llevar a las condiciones de trabajo 18ºC el valor del calor que se genera en la combustión es -66225.6kJ con signo negativo para nuestro sistema de trabajo este valor se convierte en positivo porque será el calor que entra al sistema

Además de ello y para nosotros el aspecto mas importante son los porcentajes que se muestran en la tabla esta nos indica que los gases de chimenea disipan con su salida aproximadamente 13% lo cuala es un buen dato, quiere decir que no hay mucha perdida por en los gases de chimenea, el poder calorífico disipado por las paredes del horno solo representa el 3% del calor entregado este también es un buen dato, El verdadero problema son los calores absorbidos tanto por el sistema y principalmente a los alrededores el sistema solo aprovecha el 31.11% de calor entregado, este dato es muy importante por que nos determina la eficiencia del horno las maquinas térmicas en general tienen un rendimiento promedio entre 60 y65% de eficiencia En este caso es aproximadamente la mitad del rendimiento Ahora en el manual se encontró que un horno de este tipo tiene un rendimiento promedio de 75% es decir que el horno solo aprovecha las ¾ partes de su rendimiento original es decir que el horno no esta en buenas condiciones ahora bien el problema en su rendimiento se debe principalmente al calor que disipa el horno a los alrededores. El horno disipa a los alrededores aproximadamente el 53% del poder calorífico que genera la combustión y la pregunta es ¿a qué se debe esta perdida?. Probablemente se deba la caída de la vida media del horno considerando que a tiene 15 años de funcionamiento en el que no hubo frecuencia en su mantenimiento o quizás

otro problema de carácter técnico en el horno

básicamente en la entrega de energía a la cámara del horno, el dispositivo encargado de esta funcione es el

quemador quizás este no comunica toda la cantidad de calor

generado en la combustión al horno, o un problema en el difusor de calor del horno o de repente en el ducto de la cámara principal.(aporte de un especialista Torres Billalta Jose –‘reparacion y mantenimiento de maquinarias para panaderia‘) Como ya se había mencionado la eficiencia esta determinado por

η=

Eutil coccion Eentregada combust .

20092.924 = 0,3111 64581.91 %η = 31.11%

η=

Este valor no indica que en el proceso de elaboración del ponque solo se aprovecha el 31.11% del calor entregado lo cual no es un buen indicador por los motivos ya expuestos que obviamente perjudican la productividad de la panadería

CONCLUCIONES

Se aplico los conceptos de termodinámica en su primera y segunda ley en el horno de la panadería el Pan Nuestro para el cual se realizo un balance de materiales en el que se determino que entra 5.1022kg de masa para elaborar ponque y sale 4.8863kg de producto y como producto se determino 6.78% de humedad, por otro lado se utilizo 1.533kg de combustible con 30.66kg de aire generando 31.97kg de gases de chimenea y 0.98% de masa que queda atrapada en el sistema La cantidad de calor generado en combustión es de 64581.90kJ de esta 20092.924kg es la cantidad de calor absorbido en el procesos de elaboración del ponque con los cuales se determina que la eficiencia del horno y esta es 31.11%, esta representa las ¾ partes de la eficiencia de un horno de este modelo recién adquirido lo cual indica que el horno

en estudio no esta en buenas condiciones probablemente debido a la caída de la vida media y falta de mantenimiento originando problemas de carácter técnico en la la transferencia de calor a la cámara del horno.

RECOMENDACIONES

 Tener en cuenta las unidades que se midieron las variables del sistema (horno).

 Al momento de medir con el pirómetro la temperatura en el interior del horno

 Esperar que se estabilice la temperatura para luego recién medir dicha temperatura.

 Verificar la hermeticidad del cierre de la puerta del horno para que no exista fuga de calor.

 Mantener siempre limpio el quemador para que haya una mejor combustión.

 Nunca obstruir las ventilaciones ni los ductos de evacuación de los productos de la combustión.

BIBLIOGRAFÍA

 Textos de consulta:

 CENGEL YUNUS, BOLES MICHAEL

-

TERMODINÁMICA

 Editorial Mc Graw Hill, 5ª Edición, México 2006

 DAVID HIMMELBLAU - PRICIPIOS BÁSICOS EN INGENIERÍA QUÍMICA  Editorial Prentice Hall, 6ª Edición, México 1997

 Jhon Perry – Manual del Ingeniero Químico  Editorial Mc Graw Hill, 2ª Edición, Tomo I, México 1990

 SMITH, VAN NESS, ABBOTT – INTRODUCCIÓN A LA TERMODIÑÁMICA EN INGENIERÍA QUÍMICA  Editorial Mc Graw Hill, 11ª Edición, México 2004

ANEXOS 1.

Tabla de conductividades térmicas de algunos materiales usuales Fuente: Manual del Ingeniero Químico – John Perry (pag 2 -337)

2.

Tabla de algunos materiales usados como aislantes Fuente: Termodinámica – Cengel, Boles

3.

Tablas de algunos combustibles y sus propiedades más usuales Fuente: Termodinámica- Cengel, Boles

4.

Tablas de Capacidades caloríficas de algunas sustancias Fuente: Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química –David Himmelblau

5.

CONSTANCIA OTORGADA POR LA PANADERÍA

6.

Partes del Quemador