Determinación de Humedad y Poder Calorífico Superior de un Combustible Biomásico

MÁQUINAS E INSTALACIONES TÉRMICAS 1 Fecha: 07/04/2017 Tema: Poder calorífico bomba calorimétrica Laboratorio N°2

Alumno: KAPPLER, Nicolás Eberardo V°B°.

Introducción: En el presente informe se detalla la metodología, cálculos y resultados para la determinación de la humedad y del poder calorífico, tanto superior como inferior, de una muestra de combustible, llevando a cabo un análisis de los resultados obtenidos. 1) Determinación de la humedad: Marco Teórico En el ensayo de determinación de humedad, se determina el porcentaje de agua presente en una masa de combustible dada. La humedad es la cantidad de agua presente en el combustible, y puede definirse como: 



Humedad libre: Es el agua superficial retenida por las fuerzas de tensión superficial sobre la masa de combustible, también denominada humedad superficial o añadida, que desaparece mediante secado al aire a temperatura ambiente. Humedad intersticial: También llamada humedad en los poros o higroscópica, es el agua retenida en los poros, o contenida en el combustible en equilibrio con la humedad del ambiente, que forma parte de la estructura sólido-cristalina del combustible, que no se evapora mediante secado al aire ambiente, sino que es necesaria una temperatura mayor, entre 105 y 110°C.

Materiales y Método En la experiencia llevada a cabo, se empleó una muestra de material celulósico. Para determinar el contenido de humedad de la muestra, se emplea el procedimiento establecido por la Norma IRAM 17005 como guía, la cual tiene alcance para carbones y coque. Se empleó un horno ordinario con aberturas para la circulación del aire y en el que sea posible regular la temperatura entre 104 y 110°C. Para efectuar la determinación, se emplearon cápsulas para colocar dentro de las mismas las muestras de combustible sólido. En primer lugar se pesó uno de estos recipientes con una balanza de precisión de 0.0001gr, y se taró el recipiente vacío. Luego colocamos la muestra de combustible en el recipiente y se pesó nuevamente, teniendo de esta manera el peso de la muestra en base húmeda. Luego se colocó la cápsula dentro del horno previamente calentado entre 104 y 110°C, y se cerró inmediatamente el horno, dejando calentar durante 72 horas aproximadamente. Se dejó este tiempo extenso para asegurarnos de que la muestra de combustible quede totalmente libre de humedad. Extraída la muestra del horno, se dejó enfriar y se pesó, siendo este el peso de la muestra en base seca. Determinados estas dos magnitudes se empleó la siguiente expresión para determinar el valor de humedad en ambas bases, base seca y base húmeda. 𝐻𝑢𝑠 =

𝑃𝐻𝑢 −𝑃𝑆 𝑃𝑆

∗ 100%

𝐻𝑢𝐻 =

𝑃𝐻𝑢 −𝑃𝑆 𝑃𝐻𝑢

∗ 100%

Resultados Los pesos obtenidos fueron: 𝑃𝐻𝑢 = 4.9996𝑔𝑟

𝑃𝑆 = 4.6406𝑔𝑟

Siendo de esta manera las siguientes humedades: 𝐻𝑢𝑠 =

4.9996−4.6406 ∗ 4.6406

100% = 7.73%

𝐻𝑢𝐻 =

4.9996−4.6406 ∗ 4.9996

100% = 7.18% 1

2) Determinación del poder calorífico de combustibles: Marco Teórico: En el ensayo de la bomba calorimétrica interesa conocer cuál es la energía liberada por el combustible al realizarse la combustión, por lo que para poder determinarla se procede a aplicar la primera ley de la termodinámica al sistema, donde se considera que la energía que libera el combustible es igual a la energía que absorbe la bomba calorimétrica y la camisa de agua en la que la bomba se mantiene inmersa, descontando la energía adicional que se aporta al sistema cuando se produce la ignición del combustible por la adición del calor del hilo fusible al aplicarle una tensión al mismo. Antes de cerrar la bomba se coloca un centímetro cubico de agua destilada con la finalidad de saturar el ambiente y lograr una combustión controlada, es decir que no sea explosiva y asegurar que el agua de formación durante la combustión se condense. En la figura 2.1 se muestra como está compuesta la bomba calorimétrica a volumen constante indicando sus partes.

Figura 2.1 – Partes de una bomba calorimétrica

Se define el Poder calorífico superior como el calor liberado cuando se quema en forma completa la unidad de masa (por ej., 1 gr) o de volumen de una sustancia dada, cuando en el estado final el agua se halla en fase líquida. Por otro lado el Poder calorífico inferior es el calor liberado, cuando se quema en forma completa la unidad de masa o de volumen de una sustancia, cuando el agua en el estado final se encuentra en fase gas. Debido a las condiciones a las que opera la bomba, el agua producida en la combustión se hallará al final del proceso al estado líquido de donde se infiere que la bomba calorimétrica permite determinar el poder calorífico superior de una sustancia. Es decir que el Poder Calorífico inferior es menor que el Poder Calorífico Superior debido a que parte del calor generado por el quemado de la sustancia se gasta en vaporizar el H2O formado. El balance de energías se realiza a continuación: 𝑄𝐶𝑜𝑚𝑏 = 𝑄𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 + 𝑄𝐻2 𝑂 − 𝑄𝐴𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 Donde: 𝑄𝐶𝑜𝑚𝑏 = 𝑚𝐶𝑜𝑚𝑏 ∗ 𝑐𝑣 ∗ ∆𝑡 𝑄𝐻2 𝑂 = 𝑚𝐻2 𝑂 ∗ 𝑐𝑣𝐻2 𝑂 ∗ ∆𝑡 𝑄𝐴𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 = 𝑚𝐴𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑃𝑐𝐴𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑄𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 = 𝐶𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ∆𝑡 Por lo que el poder calorífico, trabajando las ecuaciones anteriores será: 2

𝑃𝑐𝑠 =

𝐶𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 ∆𝑡 + 𝑚𝐻2 𝑂 ∗ 𝑐𝑣𝐻2 𝑂 ∗ ∆𝑡 − 𝑚𝐴𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑃𝑐𝐴𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑚𝐶𝑜𝑚𝑏

Donde: Pcs es el poder calorífico superior; 𝐶𝐵𝑜𝑚𝑏𝑎 es la capacidad calorífica de la bomba, igual a 0.426

𝑘𝑐𝑎𝑙 ; ℃

∆𝑡 es el incremento de la temperatura; 𝑚𝐻2 𝑂 es la masa de agua empleada en el agua, igual a 2000gr; 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑐𝑣𝐻2 𝑂 es la calor específico del agua, igual a 1 𝑘𝑔∗°𝐾;

y

𝑚𝐴𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑦 𝑃𝑐𝐴𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑘𝑐𝑎𝑙 1400 𝑘𝑔 respectivamente;

son la masa y el poder calorífico del alambre respectivamente, iguales a 0,0159gr

𝑚𝐶𝑜𝑚𝑏 es la masa de combustible empleado. Para la determinación del poder calorífico inferior se tiene que: 𝑃𝑐𝑖 = 𝑃𝑐𝑠 − 600 ∗ 𝐴 = 𝑃𝑐𝑠 − 600 ∗ (9 ∗ 𝐻 + 𝐻𝑢) Donde: 𝑃𝑐𝑖 es el poder calorífico inferior; A es el contenido de agua en los gases de combustión; H es el porcentaje de hidrogeno en el combustible; Hu es la humedad presente en el combustible, determinado en el ensayo 1. Teniendo en cuenta la corrección por radiación, para la cual se sigue los pasos de la Norma IRAM 17016, se tiene que: 𝑡𝑓 −1

𝑡𝑖 + 𝑡𝑓 ∆2 − ∆1 𝐶 = 𝑚 ∗ ∆1 + ′′ ∗ ( ∑ (𝑡) + − 𝑚 ∗ 𝑡′𝑚 ) ′ 𝑡 𝑚−𝑡 𝑚 2 𝑡𝑖 +1

Donde: C es la corrección por aumento o disminución de la temperatura en °C; m es el número de minutos en el periodo principal; ∆1 es el incremento promedio de la temperatura, en °C, en el periodo preliminar; ∆2 es el incremento promedio de la temperatura en °C en el periodo final; 𝑡′𝑚 es la temperatura media del periodo inicial, en °C; 𝑡 ′′ 𝑚 es la temperatura media del periodo final en °C; ∆2−∆1 𝑡 ′′ 𝑚 −𝑡 ′ 𝑚

es la constante de enfriamiento;

𝑡 −1

∑𝑡𝑓+1 (𝑡) es la sumatoria de las temperaturas leídas del periodo principal excluyendo las extremas, en 𝑖

°C; 𝑡𝑖 es la temperatura inicial leída del periodo principal, en °C; 3

𝑡𝑓 es la temperatura final leída del periodo principal, en °C. Quedando la diferencia de temperaturas real igual a: ∆𝑡𝑅𝑒𝑎𝑙 = (𝑡𝑓 − 𝑡𝑖 ) + 𝐶 Materiales y Método: Los materiales empleados son la bomba calorimétrica y el combustible biomásico. Antes de dar inicio al ensayo, se preparó el combustible, pasándolo por una serie de tamices de manera de obtener un polvo con el que luego se formó una pastilla (pastillado) del combustible dentro del husillo o cuenco, que es un accesorio de la bomba. Luego se colocó en el porta husillo de la bomba y así también, el alambre fusible siguiendo una técnica que permite la fácil extracción del alambre sobrante y se lo acomodó de tal forma que esté en contacto con la pastilla de combustible. El cuenco, porta cuenco y el alambre, junto con la tapa y cuerpo de la bomba se aprecian en la figura 2.2. Además se observa la válvula de entrada de oxígeno y los contactos del hilo fusible.

Figura 2.2 – Conexionado del cuenco junto con el alambre.

Una vez que se colocó el combustible dentro de la bomba se introdujo un centímetro cúbico de agua al recipiente de la bomba, luego se cerró la misma, y se colocó oxígeno con una presión de 20 atmósferas, se colocó 2 kg de agua destilada en la cubeta, que son los que conforman la camisa de agua que recubre a la bomba. Esta cubeta a su vez posee un espacio con aire entre la misma y la pared aislada. Seguidamente se colocó la bomba dentro de la cubeta, que está cubierta por la pared aislada y se colocó la tapa que también es aislada. Se acopló el agitador al motor del agitador y se conectaron los bornes del hilo fusible. Una vez que se ha terminó de realizar los pasos anteriores, se procedió a encender el motor del agitador de manera que la temperatura del sistema se estabilice. Luego se aplicó tensión al hilo fusible produciéndose la combustión. A partir de este momento, se tomaron mediciones de las temperaturas a cada minuto, hasta que los valores de temperatura se estabilizaron. Estos valores de temperatura son los que se necesitan para determinar el poder calorífico. El valor que interesa conocer es la variación de temperatura desde que se estabiliza el sistema antes de realizar la combustión y el valor de temperatura luego de realizar la combustión. Resultados: Durante el ensayo, se consideró que la temperatura de la etapa preliminar fue constante siendo esta igual a 23.1°C. Una vez que se tomaron los datos de temperatura, detallados en la tabla 2.1, se confeccionó la representación gráfica de las mismas, como se aprecia en la figura 2.3.

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Tiempo[min] 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

TEMP Incrementos [°C] 23,1 0 t0 23,1 0 23,1 0 ti 24 0,9 24,52 1,42 24,7 1,6 24,78 1,68 24,82 1,72 24,83 1,73 24,84 1,74 tf 24,84 1,74 24,84 1,74 24,84 1,74 24,84 1,74 24,84 1,74 24,84 1,74 24,84 1,74 24,84 1,74 24,84 1,74 24,84 1,74 tm

Tabla 2.1 – Valores de temperatura medidos 25 24,8 24,6

Título del eje

24,4 24,2 24 23,8 23,6 23,4 23,2 23 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Título del eje TEMP [°C]

Figura 2.3 – Representación del incremento de temperatura

Donde podemos apreciar que la diferencia de temperatura máxima y mínima es: ∆𝑡 = (24.84 − 23.1)°C = 1.74°C Este es el incremento aparente de temperatura, sin tener en cuenta la corrección por radiación. Para determinar la misma, se tiene en cuenta que: 𝑡0 = 0°C, 𝑡𝑖 = 0°C, 𝑡𝑓 = 1.74°C, 𝑡𝑚 = 1.74°C Entonces determinamos con los incrementos de temperatura de la tabla 2.1 que: 5

𝑡′𝑚 =

𝑡0 +𝑡𝑖 2

=0

𝑡 ′ ′𝑚 =

𝑡𝑓 +𝑡𝑚 2

= 1.74

∆1 =

𝑡𝑖 −𝑡0 3

=0

∆2 =

𝑡𝑚 −𝑡𝑓 9

=0

Luego: 𝑚=7

∆2−∆1 𝑡 ′′ 𝑚 −𝑡 ′ 𝑚

𝑚 ∗ ∆1 = 0

𝑡 −1

∑𝑡𝑓+1 (𝑡) = 9.05

=0

𝑖

Con lo que, el factor de corrección queda 𝐶 = 0°C. Esto se debe a que, en el período preliminar la temperatura no presentó cambios, lo cual nos indica que el incremento es nulo. Como el ensayo finalizó antes de poder apreciar algún cambio de la temperatura en el período final, el decremento resultó nulo. Dando como consecuencia que la constante de enfriamiento es cero. De esta manera se obtiene que el incremento real de temperatura igual a: ∆𝑡𝑅𝑒𝑎𝑙 = 1.74°C + 0°C = 1.74°C Partiendo de la humedad del combustible determinada en el ensayo 1, se estableció el peso en base seca de nuestra muestra empleando: 𝑃𝑠 = 𝑃𝐻𝑢 ∗ (1 − 𝐻𝑢𝐻 ) Donde 𝑃𝐻𝑢 es el peso de la muestra húmeda igual a 1.0006gr, y 𝐻𝑢𝐻 es la humedad del combustible en la base húmeda, y 𝑃𝑠 es el peso de la muestra seca dando como resultado igual a 0.9337 gr. Empleando este peso, junto con que el porcentaje de hidrogeno en los materiales celulósicos es de 6.1% en promedio (figura 2.4), y despreciando la corrección correspondiente a la formación de ácido nítrico y la corrección suplementaria para el contenido de azufre, se obtuvo finalmente los poderes caloríficos superior e inferior, para base seca y base húmeda: -------------Base Seca Base Húmeda

𝑘𝑐𝑎𝑙 ] 𝐾𝑔 4519.9 4196.46 𝑃𝑐𝑠 [

𝑃𝑐𝑖 [

𝑘𝑐𝑎𝑙 ] 𝐾𝑔

4144.12 3824.3

Tabla 2.2 – Tabla de poderes caloríficos superior e inferior, en base seca y base húmeda

Comparando con los poderes caloríficos de sustancias comunes, expuestos en la figura 2.5 podemos ver 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝐽

que el valor de Pcs en la base seca es 4519.9 [ 𝐾𝑔 ] = 18920.3 [𝐾𝑔], un valor muy próximo al de la madera seca (19000 [

𝑘𝐽 ]). 𝐾𝑔

Figura 2.4 – Porcentajes de hidrogeno para la madera

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Figura 2.5 – Poderes caloríficos de sustancias comunes

Conclusión: Por medio de la realización del laboratorio en cuestión, se demostró que, partiendo de una muestra de un combustible desconocido, podemos determinar su poder calorífico. Por medio de ensayos en un calorímetro a volumen constante y un horno de secado, se obtuvieron datos relevantes al tema, que complementándolos con la teoría desarrollada en clase y con tablas informativas que se encuentran en la web, se pudo determinar de forma aproximada, el tipo de combustible en cuestión. Cabe recalcar que los datos obtenidos son aproximados, ya que se realizó un solo ensayo, cuando deberían realizarse mayor cantidad de los mismos para obtener un mejor resultado promedio. Los datos de poder calorífico obtenidos matemáticamente, fueron corregidos según la Norma IRAM 17016, que establece una corrección en base a los productos ácidos presentes y a las pérdidas de calor por radiación. Los datos de humedad, fueron calculados partiendo como base de los ensayos establecidos en la Norma IRAM 17005 para carbón y coque.

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