termodinamica

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA QUIMICA EAP INGENIERIA QUIMICA AMBIENTAL EAP INGENIERIA QUIMICA DEL GAS NATURAL Y ENERGIA CÁTEDRA:

TERMODINAMICA I

CODIGO: 053B

APLICACIÓN DE LA PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA EN UN HORNO ARTESANAL DE LA PANADERIA CARMEN DEL PILAR-JAUJA CATEDRÁTICO: Ing. WALTER S. FUENTES LOPEZ INTEGRANTES: Chavez Ortega Lina Gabriela Cardenas Candiotti Sambya Humani Yaranga Yack Mantari Llacuachaqui Joel Valencia Quispe Brian SEMESTRE

:

FECHA DE ENTREGA :

[email protected] [email protected] Jack_huamani@outlook [email protected] [email protected] V

15/06/2016

HUANCAYO 2016

IQA IQGNE IQGNE IQGNE IQA

OBJETIVOS I. OBJETIVOS

Objetivos General  Aplicar la primera y

segunda ley de la Termodinámica en sauna “EL

REFUGIO”.

Objetivos Específicos  Realizar un balance de materia para predecir la masa de gases y el vapor de agua que se extrae en el caldero  Realizar un balance del calor, en el sistema.  Determinar la eficiencia real con que trabaja el caldero

2

I. 

MARCO TEORICO

PANADERIA La panadería es un oficio muy antiguo, durante la Edad Media era muy común la existencia de hornos públicos donde los panaderos podían hornear el pan. Hoy en día es un oficio que se ha popularizado y también especializado. Actualmente los panaderos trabajan en diversos entornos, ya sea como empleados o como dueños de sus propias panaderías. Los panaderos ejercen en: o Grandes fábricas que producen pan y productos relacionados, transportados luego a numerosos puntos de ventas en una región dada. Estos incluyen normalmente supermercados, tiendas de conveniencia y similares. En estas instalaciones los panaderos se dedican principalmente al control de calidad, llevándose a cabo mecánicamente el grueso del trabajo. o Pequeñas panaderías independientes, principalmente negocios familiares. Suelen especializarse en tipos particulares de productos. o Cadenas de tiendas, en los últimos años se ha producido un auge de las cadenas de tiendas (supermercados) que venden pan. Los panaderos de estos establecimientos hornean según un libro de recetas preestablecido. 

EL PAN El pan es un alimento básico que forma parte de la dieta tradicional en Europa, Oriente Medio, India y América. Se suele preparar mediante el horneado de una masa elaborada fundamentalmente con harina de cereales, sal y agua. La mezcla en algunas ocasiones suele contener levaduras para que fermente la masa y sea más esponjosa y tierna. El cereal más utilizado para la elaboración del pan es la harina de trigo, también se utiliza el centeno, la cebada, el maíz, el arroz. Existen muchos tipos de pan que pueden contener otros ingredientes, como grasas de diferentes tipos (tocino, mantequilla, aceite de oliva), huevos, azúcar, especias, frutas, frutas secas (como por ejemplo pasas), verduras (como cebollas), frutos secos o semillas diversas. La adición de la levadura provoca la fermentación de la masa antes del horneado, y como consecuencia le proporciona un volumen y una esponjosidad debido a la producción de pequeñas burbujas de dióxido de carbono (CO2) que se quedan inmersas entre la masa húmeda de la harina. Al pan elaborado sin el empleo de levadura se le llama ácimo, y que por ello carece de la esponjosidad típica de los panes "hinchados" o "levados". Es muy posible que las elaboraciones más primitivas de pan no llevaran levadura, y la harina consistiese en granos toscamente molidos mezclados con agua que se dejaban secar al sol o que 3

acababan entre las cenizas de un fuego. [] Los panes planos, muy populares en algunas culturas, es muy posible que sean los más antiguos. [] Una variante del pan con denominación propia son las galletas y los pasteles que poseen diferentes masas azucaradas, es muy posible que surgieran del conocimiento panadero como una necesidad de hacer panes "más portables" y nutritivos. [] A la masa se le puede dar diferentes formas debido al empleo de diversos moldes y técnicas de amasado: de esta forma existen las barras, las trenzas, los aros, etc. 

ELABORACIÓN DEL PAN La elaboración del pan es un conjunto de varios procesos en cadena. Comienza con los ingredientes en sus proporciones justas y las herramientas para su elaboración dispuestas para realizar las operaciones y acaba con el pan listo para ser servido. Dependiendo de los panaderos se añaden más o menos procesos a la elaboración: Amasado: Se mezcla de la harina con el agua (así como otros ingredientes), proceso de trabajar la masa. Para el amasado, habitualmente se forma una corona con la harina en un recipiente. La levadura siempre es recomendable disolverla en parte del agua que se empleará, estando tibia y con una pizca de azúcar, ideal para activarla. También algunos panes incluyen alguna materia grasa y otros ingredientes. Lo más importante es amasar bien, tomarse un tiempo y dejar una masa perfectamente lisa y homogénea. Reposo para hacer 'levar' la masa (sólo si se incluyó levadura). A este proceso se le denomina a veces como leudado, Esta es una parte muy importante en el proceso de elaboración artesanal del pan. Hay que respetar los tiempos y siempre, preferentemente, hacerlo en un ambiente cálido (incluso al lado del horno precalentando). Algunas preparaciones incluyen múltiples levados, lo que permite una mejor textura final. Horneado En el que simplemente se somete durante un período la masa a una fuente de calor para que se cocine. 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. Es la parte final pero no por eso la menos -ni la más- importante. Si tienes un pan muy grande en volumen, un horno demasiado fuerte te lo arrebatará 4

por fuera y quedará crudo por dentro. Todo depende del tamaño de los panes que vayas a hornear. Enfriado. Tras el horneado se deja reposar el pan hasta que alcance la temperatura ambiente  HORNO Un horno es un dispositivo que genera calor y que lo mantiene dentro de un compartimento cerrado. Se utiliza tanto en la cocina para cocinar, calentar o secar alimentos, como en la industria. La energía calorífica utilizada para alimentar un horno puede obtenerse directamente por combustión (leña, gas u otro combustible), radiación (luz solar), o indirectamente por medio de electricidad (horno eléctrico). Historia El horno tradicional era un recinto formado por una fábrica de tapial o adobes, que acababa convirtiéndose en un bloque de material de alfarería por la cocción por calor. Tenían forma de pequeña bóveda sobre una base plana y una sola abertura, la entrada. Se calentaba mediante un fuego de leña, que se dejaba consumir. El grosor, la inercia térmica de la envoltura, guarda el calor. La base donde se produce la combustión se limpia de cenizas y en ella se colocan los alimentos que deben asarse. Tipos de hornos 





Horno de leña. Funcionan a partir de materiales forestales. Desde el punto de vista del consumo energético son los menos eficientes y los que más emisiones de dióxido de carbono tienen, pero desde el punto de vista gastronómico, en ciertos casos da un sabor especial a ciertos platos. Es ampliamente utilizado en la cocina tradicional castellana: como por ejemplo para el cordero asado o el cochinillo asado. Horno de gas. Los avances en la utilización del gas natural como combustible, han permitido conceder a los hornos de gas una opción viable en las alternativas que nos brinda su uso, mostrándose muy eficaces, tanto por la reducción de los tiempos de cocción de las materias primas, como la reducción de las emisiones al ambiente. La regulación de la atmósfera en el interior del horno, se puede controlar variando la inyección de la mezcla de gas y aire, por lo que resultan muy útiles para hacer reducciones. Otra ventaja digna de mención es que se alcanzan altas temperaturas en un menor tiempo. Horno eléctrico. Son hornos alimentados con energía eléctrica de un uso muy extendido por su comodidad y fácil manejo. En la actualidad con los sistemas de programación que se incorporan son muy útiles y fiables. En las cámaras de estos hornos van alojadas, en unas zanjas o vías de las paredes, unas espirales de hilo conductor de energía eléctrica, que actúan de resistencia formadas por aleaciones de cromo-niquel y otros metales cuya característica es la buena conductividad, según las temperaturas que se quiera alcanzar. 5





Cocina solar. Su principal ventaja radica en el óptimo aprovechamiento del recurso solar para obtener energía calorífica. . COMBUSTIBLE EMPLEANDO PARA LA COCCION DEL PAN Fig.1: Eucalipto blanco

Fuente: wikipedia imag El eucalipto blanco o albar (Eucalyptus globulus, Labill, en adelante E. Globulus) es la especie más frecuente de este género en nuestra región. Como carácter diferencial es la única especie de eucalipto que presenta flores y frutos aislados. No obstante, en ocasiones se encuentran especímenes con dos o tres frutos. Su corteza es muy variable pudiendo ser desde plateado a pardo anaranjado. Cuando es adulto la corteza se desprende en tiras. Su madera presenta cualidades de especial interés para su aprovechamiento industrial con más de 90 m de altura. El género Eucaliptos ha sido y es uno de los recursos forestales más utilizado industrialmente en el mundo entero. El consumo mundial de madera se reparte entre las necesidades energéticas, leñas y carbón vegetal (más del 50%), la madera de aserrío, postes, apeas y construcción (20%), y la dedicada a la industria de la celulosa y el papel (17%). Las previsiones mundiales para el consumo de madera en el año 2000 superan los 4 000 millones de m 3, lo que supone un déficit de 1000 millones. En Europa somos deficitarios tanto de madera como de energía, lo que convierte a la producción forestal en un objetivo prioritario. 

LA COMPOSICIÓN DE LA LEÑA: La composición media se compone de un 50% de carbono (C), un 42% de oxigeno (O2), un 6% de hidrógeno (H2) y el 2% de resto de nitrógeno (N 2) y otros elementos. Todo esto se compone formando la celulosa y la lignina. La celulosa: Un polisacárido estructural formado por glucosa que forma parte de la pared de las células vegetales. Su fórmula empírica es (C 6H10O5)n, con el valor mínimo de n = 200 y su forma estructural: Figura 2. Trozos de leña 6



BALANCE DE LA 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:

ENTRADAmal  SALIDA

mal

 PRODUCCIÓN mat  ACUMULACIÓN mat

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

Q  U  W

Q  dU  W

o

Q  Q

: Representa la energía térmica que absorbe el sistema. U  dU

: Es el cambio, de la energía interna del sistema. W  W

: Es el trabajo externo efectuado por el sistema.

W

Pero el cuerpo no efectúa trabajo,

= 0.

Q  dU 7

SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA La segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible en los motores térmicos. De este modo, va más allá de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica. Sus implicaciones se pueden visualizar en términos de la analogía con la cascada. 

TERMOCUPLAS Són el sensor de temperatura más común utilizado industriálmente. Una termocupla se hace con dós alambres de distinto material unidos en un extremo (soldados generálmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura. Por ejemplo, una termocupla "tipo J" está hecha con un alambre de hierro y otro de constantán (aleación de cobre y nickel) Al colocar la unión de estos metales a 750 °C, debe aparecer en los extremos 42.2 milivolts.

titulo: tabla 1

8

Fuente: http://www.arian.cl/downloads/nt-002.pdf



TERMÓMETRO

Es un instrumento que permite medir la temperatura. Los más populares constan de un bulbo de vidrio que incluye un pequeño tubo capilar; éste contiene mercurio (u otro material con alto coeficiente de dilatación), que se dilata de acuerdo a la temperatura y permite medirla sobre una escala graduada.

Figura 4

Termómetro exterior. II. PARTE EXPERIMENTAL



Aspectos Generales De La Panadería Nombre de la empresa: PANADERIA “CARMEN DEL PILAR” 9

Propietario: Sr. Ubicación y Acceso: Teléfono: Recursos: Recursos humanos: La empresa consta de 5 trabajadores: 

1 administradora Sr.



4 ayudantes

Mercado: El servicio es para todo público en general. Servicio: Les ofrece las siguientes servicios a domicilio y al público en general: pastelería, panadería, tortas para cumpleaños de diferentes tamaños y con ingredientes de varias calidades, tortas elaboradas con maní, chocolate, fresas, frutas, de manzana, de pera, uvas. Asimismo se hacen contratas de parva por mayor paras las cafeterías de pastelería, rollo, torta casera, chicharrón, pan de queso, pan de maíz, pan mantequilla, pan leche, pan dulce, pan con mortadela, pan con jamón y pan aliñado. Volumen de producción (1 día) Tabla 1 INSUMOS Harina Azúcar Manteca Levadura Sal Agua Total



CANTIDAD UTILIZADA TOTAL 150 kg 20 kg 15 kg 1,5 kg 3 kg 80 L 269.5

Método Método experimental con una técnica instrumental.



Instrumentos

10

 Termómetro  Termocupla  Balanza digital  Wincha  Madera de 5m 

Procedimiento

 Se buscara toda la bibliografía necesaria que nos explique uno a uno el uso correcto de todos los materiales y del proceso que llevaremos a cabo para la aplicación de la primera y segunda ley de la termodinámica.  Se realizara una visita a campo para visualizar el problema, plantearnos nuestros objetivos y conocer nuestra área de trabajo.  Luego se procederá a conseguir todos los materiales necesarios.  Se observara todo el proceso de elaboración de los panes jaujinos, tomando datos determinables a la vista.  Luego se empezara con la experimentación, con la toma de datos para poder cumplir de esta manera los objetivos a plantearnos  Al tener todos los datos se procederá a realizar los cálculos que no son necesarios para cumplir con los objetivos  Se realizara el informe final y se hará entrega de esta para su verificación y corrección al ingeniero encargado del curso  Por último se realizara la presentación del trabajo mediante la exposición



Horno en estudio Clasificación: Según el horno de estudio este se asemeja al horno mufla Características:  Frente: 5 m  Profundidad: 4 m  Altura: 90 cm 11

 Orificios: 1 Capacidad: El horno tiene una capacidad 15 latas, cuya producción diaria es de 8575 panes. III. RESULTADOS Y CALCULOS Datos obtenidos Tabla 2 Variable

Datos

Temperatura del horno antes del calentamiento

140 ºC

Temperatura del horno después de

490 ºC

calentamiento Tiempo de calentamiento

1.5 hora

Temperatura del horno después de la producción

230 ºC

Temperatura con que sale el pan

79 ºC

Peso de los panes antes de la cocción

25 g.

Peso de los panes después de la cocción

20 g.

A. Balance De Materia Para el pan:

V:

I: : Insumos

HORNO

Agua (vapor)

P:

Productos (pan)

12

Masa que ingresa (insumos) = 269.5 kg Masa que sale (pan) = 15*12540 = 188100 g = 188.1 kg Del diagrama de flujo tenemos: I=V+P Reemplazando en la ecuación anterior, obtenemos kg de agua (vapor): Kg de agua (vapor) = 269 – 188.1 = 80.9 kg

V:

Agua (vapor) 80.9 kg

I: :Insumos

Horno

269 kg

P:

Productos (pan) 188.1 kg

Para los combustibles:

(G)Gases de Chimenea (L)Leña

HORNO

(A)Aire

13

Masa de leña consumida: 60 Kg

Com

(60 kg)

LEÑA

p.

% Mas a

Masa( Kg)

C

50

30

H2

42

25.2

O2

6

N2

2

Reacción C+ O2 = CO2

n (mol Kg)

O2

CO2

H2O

formad

forma

o

do

2.5

2.5

2.5

-

12.6

6.3

-

12.6

3.6

0.113

-0.113

2,00

-

1.2

0.043

-

-

-

4.5

12.6

H2 + 1/2 O2 = H2O

Total

15.256

8.788 7

 100molkg aire a lim entado  29kg  ) 21molkg O2 1 molkgdeair ea lim entado    281.238kgdeO2 kg aire a lim entado  1213.6776kg    932.439kgdeN2 kg aire a lim entado  8.7887molkgO2 (

Gases de Chimenea:

Gas CO2 N2 H2O Total

Mol-kg 4.5 0.113+33.188=24.308 12.6 -

kg 198 932.439 226.8 1357.239

% masa 14.59 68.70 16.71 100

Siendo entonces el balance general:

14

Gases de Chimenea

1357.239 kg Leña

HORNO

60 kg

Aire 1213.6776 kg

B. Balance De Energía Al realizar un balance de energía se esta aplicando la primera ley de la termodinámica, donde encuentra que:

Q ALREDEDORS  QSISTEMA Donde se analiza todas las influencias de calor que se le somete al sistema, resultando la siguiente ecuación:

QLEÑA  Q ACUMULADOEN HORNO  QPAN  QPAREDES  QGASES DE CHIMENEA

Hallando el calor de la leña: QLEÑA  m.Ce.t cal x  460  17  C kgC  10810.086kcal

QLEÑA  60kg x 406.7 QLEÑA

(17 ° C es temperatura ambiente)

Hallando el calor acumulado en el horno: 15

Q ACUMULADO HORNO  m.Ce.t m   .V kg cal x 18 m 3 x 242.11 x  490  140  C 3 kgC m  1982.8809 kcal

Q ACUMULADO HORNO  1,3 Q ACUMULADO HORNO

V : volumen o capacidad delhorno y ρ :densidad delaire

Hallando el calor de pan:

QPAN  m.Ce.t cal x  79  17  C kgC  11157.582kcal

QPAN  269kg x 669 QPAN

m:: masade ingreso del pan

Hallando el calor en las paredes:

QPAREDES 

T1  T2 X AxK

Donde: X: espesor de la pared K: conductividad térmica del ladrillo A: área de la pared 150 °C es temperatura en la pared del horno y es constante 4 x 0.9 x 0,112 x  490  150  0,22  623.127cal

QPARED 1  QPARED 1

5 x 4 x 0,112 x  490  150  0,22 QPARED 2  3461.818 cal QPARED 2 

5.x 0.9 x 0,112 x  490  150  0,22  778.909 cal

QPARED 3  QPARED 3

16

Q PAREDES  2 x Q PARED 1  2 x QPARED 2  Q PARED 3 Q PAREDES  9.727708kcal

Hallando el calor de gases de chimenea:

QLEÑA  Q ACUMULADOEN HORNO  QPAN  QPAREDES  QGASES DE CHIMENEA QGASES DE CHIMENEA  10810.086  1982.8809  11157.582  9.727

QGASES DE CHIMENEA  1625.6579kcal Con esto se estaría comprobando y aplicando la primera ley de la termodinámica, ya que el calor de los gases de chimenea es positivo como se predecía.

Hallando el calor suministrado por la leña:

H Pº H

Reactante s T1

Productos T2

º R

º H 298

T0

17

º H Tº  H 298  H Pº  H Rº º H Tº  H 298   (n  Cpdt )   (n  Cpdt ) T2

P

T0

T1

R

T0

º H Tº  H 298   (nCpm(T2  T0 )   (n  a  bT  cT  2 dt ) T1

P

R

T0

H Tº  6475.4774kcal  91832kcal  953.74kcal H Tº  63586.7374kcal Qsu min istrado  63586.7374kcal

Hallando la eficiencia teórica:

nideal  1 

T1 T2

nideal  1 

290 K  61.99% 763K

Hallando la eficiencia real: nreal =

calor absorvido por el pan 11157.582kcal × 100= ×100 calor suministrado laleña kcal

nreal =20.29 IV. DISCUSION DE LOS RESULTADOS

 Con respecto a nuestros valores obtenidos de la eficiencia teórica y real, la n real es menor que

nideal esto a que el horno no trabaja con temperaturas y masas

adecuadas las cuales hacen que se reduzca su eficiencia.  El horno no tiene un buen funcionamiento ya que su eficiencia real es de 20.29% a causa de la mala elaboración del horno y las deficiencias de su construcción.

18

V. CONCLUSIONES

 Se logró aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica en el horno de la panadería obteniéndose el resultado de una eficiencia de 20.29% .  Al realizar el balance de materia se obtuvieron los resultados de masa de los gases extraídos en la cocción del pan con los que trabaja la panadería.  Al determinar la eficiencia con la que trabaja el horno en la panadería el resultado fue mucho menor con que la real esto nos indica que el horno no está trabajando adecuadamente.

VI. BIBLIOGRAFIA

ACCIONES

 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  www.calorychimeneas.com.mx/degas1.html  www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo/Termo.html

CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES ABRIL

23

24

25

MAYO

26

27

S1

S2

S3

JUNIO

S4

S1

S2

S3

JULIO

S4

S1

S2

19

S3

S4

ración de plan de

X

X

trabajo

copilación de

X

X

X

bibliografía

sita a campo y

X

X

observación

copilación de

X

X

materiales pilación de datos

X X

ación de cálculos

X

X

X X

cción del informe

X X

a del informe final

X X

esentación de

exposición

BIBLIOGRAFIA  David Himmelblau – “Pricipios Básicos En Ingeniería Química” Editorial Prentice Hall, 6ª Edición, México 1997  www.calorychimeneas.com.mx/degas1.html  www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo/Termo.html  Libro de JUAN INZUNZA FISICA disponible en: http://old.dgeo.udec.cl/~juaninzunza/docencia/fisica/cap15.pdf  Definición de termómetro - Qué es, Significado y Concepto http://definicion.de/termometro/#ixzz475AJVkkn  http://www.arian.cl/downloads/nt-002.pdf  https://es.wikipedia.org/wiki/Term%C3%B3metro

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ANEXOS Fig.2: Horno panadero

Fuente: Wikipedia imagen Figura 3: trozos de leña

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Figura 4

Termómetro exterior. Figura 5: PLANO DE LA EMPRESA “PANADERÍA CARMEN DEL PILAR”

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