Poder Calorífico de Los Combustibles

Indice

1. INTRODUCCION

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2. OBJETIVOS

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3. MARCO TEORICO

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4. ESQUEMA DE PRINCIPIO DEL EQUIPO

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5. PROCEDIMIENTO

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6. TABULACION DE DATOS

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7. CALCULO

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8. TABULACION DE RESULTADOS

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9. DISCUSIONES

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10. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

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11. BIBLIOGRAFIA

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1.

Introducción

El presente informe, elaborado en base a la experiencia llevada a cabo en el laboratorio de termodinámica tiene la intensión de ser una modesta contribución para explicar la combustión de un gas (Propano) mediante el uso de la Bomba Calorimétrica de Junker, que es un quipo que mide el calor de combustión a presión constante y de tal manera poder calcular el Poder Calorífico del Combustible (Gas Propano). En este informe el lector contará con el concepto y ecuaciones relacionadas con el Poder Calorífico de un Combustible, además de los ya conocidos en la experiencia de Análisis de Gases de Combustión. Finalmente esperando que este informe cumpla con su objetivo y sea de valor informativo al lector que la tenga en sus manos.

2. •

Objetivos Dar a conocer la existencia de una propiedad importante que genera el combustible, que es la de su Poder Calorífico.

•

Brindar los conocimientos teóricos acerca del Poder Calorífico de los Combustibles y de tal manera hacer uso de estos para compararlos con los obtenidos experimentalmente en el laboratorio.

•

ofrecer al alumno conocimientos y el manejo del equipo de la Bomba Calorimétrica de Junker.

•

Determinar mediante un proceso experimental el valor o poder calorífico de un gas (superior o inferior). Usando para ello una “Bomba CALORIMETRICA DE JUNKER”

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3. Marco Teórico 1 PODER CALORIFICO Se define como la cantidad de energia liberada cuando un combustible se quema por completo y los productos vuelven al estado de los reactantes, es decir los productos se enfrian hasta la temperatura de los reactantes. En otras palabras el Poder Calorífico de un combustible es igual alcalor de combustión (entalpia de combustión). El poder calorifico de los combustibles liquidos y solidos se determinan con una bomba calorimetrica (volumen constante) en laboratorios. Para los combustibles gaseosos el poder calorifico se determina en un calorimetro para gas. Debido a que la mayoría de combustibles contiene Hidrógeno durante la combustión se produce vapor de agua. Al enfriarse los productos, cierta cantidad de vapor de agua condensada liberando calor. El poder calorífico dependerá entonces de la cantidad de vapor condensado. Se han determinado para los combustibles los siguientes poderes caloríficos: El poder calorífico varía entre un valor inferior (neto) cuando no hay condensación alguna y un valor superior (bruto) cuando hay condensación completa 3.1.1 PODER CALORIFICO SUPERIOR (PCS): Es el que se obtiene cuando el vapor de agua formado durante la combustión condensa totalmente, al enfriar los productos hasta la temperatura de los reactantes. Es el calor desprendido por todos los componentes de una unidad de masa al reaccionar con el oxígeno. Poder Calorífico Superior (H0) ∗ H0 =

mH 2 O .CeH 2 O .(Ts − Te ) Vgas

(KJ m ) 3

Donde: mH 2 O

(Kg.) : masa de agua contenida en la probeta.

CeH 2 O = 4.186. KJ

Kg .º C : Calor Específico del agua a P=const.

3

Te (ºC) : Temperatura de ingreso del agua. Ts (ºC) : Temperatura de salida del agua. Vgas

(m3) : Volumen de gas en el contador.

PODER CALORIFICO INFERIOR (PCI): Es el que se obtiene cuando el vapor de agua no condensa, al enfriar los productos hasta la temperatura de los reactantes. Es el PCS, al que se le resta el calor producido por alguno de los componentes y que no puede ser aprovechado en los sistemas normales; especialmente se refiere al calor latente de condensación del vapor de agua que se produce en la combustión y que, por las temperaturas normalmente utilizadas en calderas y motores, se expulsa en forma de vapor. Se exceptúa el caso de las calderas de condensación. Poder Calorífico Inferior (HU) ∗ HU = H 0 −τ

(KJ m )

Calor por Evaporación de la masa de condensado τ=

mk .h fg Ve

3

Donde: mk (Kg.) : masa de agua condensada durante la combustión. h fg

(KJ/Kg) : Entalpía de vaporización del agua, depende de la presión del agua en los gases de combustión.

Ve = 0.06.m3 : Volumen de gas.

CALOR LATENTE: Se entiende por calor latente de condensación, la cantidad de calor desprendida por la condensación de un kilogramo de vapor, en estado de condensación lapso durante el cual la temperatura del cuerpo permanece constante. Este calor representa el desprendimiento de una cierta cantidad de la energía interna que posee el vapor, debido a que al pasar del estado de vapor al estado líquido, disminuye la energía interna de sus moléculas y aumenta la cohesión molecular. PODER CALORIFICO A VOLUMEN CONSTANTE:

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Se determina en un proceso de combustión a volumen constante. Para el efecto se realiza un ensayo en una bomba calorífica que en nuestro caso será una Bomba Calorífica Universal. Este método es utilizado para combustibles líquidos y sólidos. PODER CALORIFICO A PRESION CONSTANTE: Se determina en un proceso de combustión a presión constante en un sistema o en un proceso de flujo y estado estable. El ensayo se realiza en un calorímetro para gas del tipo de flujo continuo, en nuestro caso usaremos una Bomba Calorífica de Junker.

4.

Esquema de Principio del Equipo

CALORIMETROS Son aparatos que se utilizan en los laboratorios para la determinación de los poderes caloríficos de los combustibles. BOMBA CALORIMETRICA DE JUNKER Se lo usa para determinar el poder calorífico de los combustibles gaseosos, es un equipo que no tiene mucha exactitud. Todo el proceso se lleva a cabo a presión constante (P=const.). La transmisión entre los gases de combustión y el agua, se hace por medio del principio de contracorriente, existiendo circulación permanente mientras dure la experiencia. COMPONENTES: •

Balón de Gas Propano.- Recipiente metálico de 24 lb. de masa de Gas Propano.

•

Regulador de Presión.- Tipo de diafragma, controla la presión del gas que ingresa al calorímetro.

•

Contador de Volumétrico de Gas.- Llamado también medidor rotativo de tipo húmedo, mide el caudal del gas.

•

Mechero de Bunsen.- Tipo cilíndrico, produce el encendido del gas.

•

Humificador de Aire.- Recipiente cilíndrico, que va conectado antes del intercambiador y nos permite que el aire entre saturado al intercambiador.

•

Intercambiador de Calor.- Recipiente metálico donde se produce la transferencia de energía entre el gas analizado y el agua.

•

Probeta graduada de 2000 cc.- Recipiente de vidrio graduado, recibe la cantidad de agua que entra en el proceso, durante un tiempo t. 5

•

Termómetros de 10-40ºC y 0-100ºC.- Se usará para medir la lectura de la temperatura de entrada del agua (T. ambiente) y la temperatura de salida del agua respectivamente.

•

Cronómetro.- Se usará para medir en un intervalo de tiempo dado, la cantidad de agua que circula por el contador de gas y el intercambiador de calor

5.

Procedimiento

El valor calorífico de los combustibles gaseosos, se determina por medio de un calorímetro para gas que es de tipo flujo continuo, el gas se quema en un mechero de Bunsen y los productos de la combustión pasan por tubos que están rodeados por agua circulante. Se mide el caudal en volumen de gas a través del calorímetro, la circulación del agua se ajusta de modo de enfriar los productos de combustión a la temperatura de entrada del aire, se mide el caudal del agua a través del calorímetro y se determina su aumento de temperatura, el calor recibido por el agua es igual al valor calorífico del gas.

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Los pasos a seguir para realizar el ensayo son los siguientes: •

conectar la manguera del balón de gas al regulador de presión.

•

conectar la manguera del regulador de presión al contador de gas.

•

conectar la manguera del contador al mechero.

•

conectar la manguera del agua al ingreso del contador.

•

conectar la manguera del contador al intercambiador de calor.

•

conectar la manguera de descarga en la válvula de dos vías.

•

conectar el humificador de aire.

•

Colocar los termómetros y la probeta de 2000 cc.

•

Proceder a regular el nivel de contador de gas.

•

Dejar circular agua por el contador y el intercambiador.

•

Encender el mechero, regulando la llama al intercambiador

•

Se medirán sobre un intervalo de tiempo dado, la cantidad de agua que circula por el contador de gas y el intercambiador de calor.

•

Deberán leerse las temperaturas de entrada y salida del agua.

• 6.Tabulación de Datos

volumen de gas 1L 1L 1L 1L

volumen de agua 220ml 240ml 230ml 240ml

T. de entrada 20 20 20 20

T. de salida tiempo 41 15.24 41 15.89 41 15.32 41 15.43

7. Cálculo PRUEBA Nº 1 PODER CALORIFICO SUPERIOR (H0) • H0 =

m H 2O .Ce H 2O .(Ts − Te ) V gas

=

( 0.26 Kg ).( 4.186. KJ

Kg .º C ).( 41 − 20 ) º C 1.10 .m 3 −3

7

∗ H 0 = 22855.56

KJ

m3

PODER CALORIFICO INFERIOR (HU) Combustión Incompleta-Real

• %CO2 = 10   • %O2 = 6  • %CO = 0.2 

∗ a.C 3 H 8 + b.( O2 + 3.76.N 2 ) = 10CO2 + 6O2 + 0.2CO + l.H 2 O + qN 2

Balance: C:

3.a =10 + 0.2

H :

8.a = 2.l

O : 2.b = (10 ).( 2 ) + ( 6 ).( 2 ) + 0.2 + l

 a = 3.4  ⇒  l = 13.6  b = 22.9 

N : q = 86.104 Fracción Molar de Agua nH O 13.6  fm = = nT 115.904 • fm = 0.1773 2

H 2O

H 2O

Presión Parcial de Agua  PV = f m .P0 = 0.1773 x100 KPa. H 2O

• PVH

2O

H 2O

= 17.73KPa

De la tabla de presiones sacamos hfg = 2395.928

CALCULO DE LA ENTALPIA ESPECIFICA DEL PROPANO C3H8 Ł = mk x hfg / 0.06 Mk = 10gr Ł = 397.66 KJ

KJ

m3

m3

Finalmente:

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PODER CALORIFICO INFERIOR HU = H0 – τ KJ

m3

HU = 22190.9 PRUEBA Nº 2  PODER CALORIFICO SUPERIOR (H0) • H0 =

m H 2O .Ce H 2O .( Ts − Te ) V gas

∗ H 0 = 31646.16

KJ

=

( 0.36 Kg ).( 4.186. KJ

Kg .º C ).( 41 − 20 ) º C 1.10 .m 3 −3

m3

 PODER CALORIFICO INFERIOR (HU)  H U = H 0 −τ = 31646.16 − 397.566

KJ

∗ H U = 31248.5

m3

PRUEBA Nº 3

 PODER CALORIFICO SUPERIOR (H0) • H0 =

m H 2O .Ce H 2O .( Ts − Te ) V gas

∗ H 0 = 28129.92

KJ

=

( 0.32 Kg ).( 4.186. KJ

Kg .º C ).( 41 − 20 ) º C 1.10 .m 3 −3

m3

 PODER CALORIFICO INFERIOR (HU)  H U = H 0 −τ = 28129.92 − 397.566

∗ H U = 27732.26

KJ

m3

Ç

PRUEBA Nº 4  PODER CALORIFICO SUPERIOR (H0) • H0 =

m H 2O .Ce H 2O .( Ts − Te ) V gas

=

( 0.3Kg ).( 4.186. KJ

Kg .º C ).( 41 − 20 ) º C 1.10 .m 3 −3

9

KJ

∗ H 0 = 26371.8

m3

 PODER CALORIFICO INFERIOR (HU)  H U = H 0 −τ = 26371.18 − 397.566

KJ

∗ H U = 25974.14

8.

m3

Tabulación de Resultados

P.C. P.C ENSAYO SUPERIOR INFERIOR 1 22588.56 22190.9 2 31646.16 31248.5 3 28129.92 27732.26 4 26371.8 25974.14

9.

Discusiones El uso de la Bomba Calorimétrica es necesario para mejorar el proceso de enseñanza en el campo de los Combustibles, debido a que éste aparato serviría como un instrumento didáctico de apoyo al docente y de gran ayuda al alumno. Será el respaldo fundamental para el mejor entendimiento de los objetivos de elección y uso de los Combustibles. Haciendo la comparación entre las Bombas Calorimétricas de Junker y Universal se concluye que este último es de más precisión y su uso es de gran importancia en el Laboratorio de Máquinas Térmicas, así como también en el área de Motores de Combustión Interna (MCI). La Bomba Calorimétrica se usa para determinar el Poder Calorífico de un Combustible cuando se quema a volumen constante , deberá colocarse en forma de pastilla) dentro de la bomba calorimétrica. Adicionalmente se agrega el oxígeno necesario para la combustión. La bomba calorimétrica se rodea de una camisa de agua que absorberá el calor liberado por el combustible.absorción de calor por la propia bomba,

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10.

Conclusiones y Recomendaciones •

Los procesos de combustión liberan energía, casi siempre en forma de calor. La máxima cantidad de calor obtenida de los productos que se puede medir gracias a las Bombas Calorimétricas, recibe el nombre de Poder Calorífico del Combustible, y gracias a que lo podemos calcular podemos realizar ensayos para determinar que combustible nos brinda mejores beneficios y de tal manera hacer uso de este.

•

La Bomba Calorimétrica de Junker no es un instrumento de mucha precisión. En efecto, hay que tomar muchas precauciones para obtener resultados satisfactorios para fines de ingeniería.

11.

Bibliografía

“GUIA DE LABORATORIO DE TERMODINÁMICA II” www.google.com http://www.slideshare.net/yemica/bomba-de-junker http://www.buenastareas.com/ensayos/Bomba-Calorimetrica/6293832.html http://www.scribd.com/doc/127473627/Poder-Calorifico-de-los-Combustibles http://labomecanica.tol.itesm.mx/laboratorio/termofluidos/calorimetro.html

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