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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA AV. TÚPAC AMARU 210 - RIMAC / LIMA 25 – PERÚ

TELÉFONO: 481 - 1070

INFORME DE EXPERIENCIA VIII

CURSO:

Laboratorio de ingeniería mecánica I

TEMA:

Estudio de combustibles

MN412 - A

ESTUDIANTES: DOCENTE:

Lima, 17 de Junio de 2015

0

ÍNDICE

ÍNDICE ........................................................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 2 OBJETIVOS..................................................................................................................................... 3 FUNDAMENTO TEORICO .............................................................................................................. 4 EQUIPOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS .................................................................................... 9 PROCEDIMIENTO ........................................................................................................................ 12 RESULTADOS OBTENIDOS .......................................................................................................... 19 OBSERVACIONES......................................................................................................................... 22 CONCLUSIONES……………………………………………………………………………………………………………………. 22 RECOMENDACIONES .................................................................................................................. 24 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................................. 25

1

INTRODUCCIÓN

El término relativo a la energía más común asociado con la combustión es el valor o poder calorífico. El valor calorífico de un combustible es la máxima cantidad de calor que puede obtenerse de los productos de la combustión completa si esos productos se enfrían a la temperatura original de la mezcla de aire y combustible.

El valor calorífico obtenido sin condensación de los vapores se llama valor calorífico inferior. El valor calorífico máximo obtenido cuando la condensación de vapores es completa, se llama valor calorífico superior. Sólo el vapor de agua formado por la combustión puede contribuir al valor calorífico del combustible. Es posible condensar una parte del vapor de agua originalmente contenido en el aire, pero esto no puede afectar el valor calorífico.

En el laboratorio trabajamos con el poder calorífico superior, para ello se satura el ambiente de la combustión.

2

OBJETIVOS



Comprobar de forma experimental los conceptos estudiados en la teoría y conocer los instrumentos y equipos que utilizaremos en esta experiencia.



Aprender y conocer los procedimientos para el cálculo del poder calorífico de combustibles.



Visualizar y aplicar los conceptos de poder calorífico superior e inferior y su estandarización.



Aprender el uso y funcionamiento de la bomba calorimétrica de Emerson, identificar las consideraciones que se debe tener en cuenta al momento de determinar el poder calorífico superior del combustible.



Conocer los conceptos y el funcionamiento teórico de un equipo para calcular la temperatura de inflamación (flash point).

3

FUNDAMENTO TEORICO BOMBA CALORIFICA DE EMERSON En primer lugar daremos una idea acerca del concepto que involucra la palabra combustible, así como de sus formas en que se presenta. COMBUSTIBLE Sustancia que si logra oxidarse con un comburente desarrolla un gran calor. TIPOS DE COMBUSTIBLE Hay 3 tipos de combustible los cuales son:  SOLIDOS Entre los cuales tenemos: leña, carbones naturales o artificiales, bagazo, etc El carbón es el combustible representativo dentro de los agrupados en esta clasificación. Los carbones podemos subdividirlos en:  Lignita  Sub – Bituminoso  Semi – Bituminoso  Semi – Antracita  Antracitas La subdivisión está hecha en base a la antigüedad de este tipo de combustible, se hallan cifradas en el carbón, principalmente, la antracita cuya explotación a gran escala en vías de desarrollo.

 LIQUIDOS Generalmente son derivados del petróleo, cuya refinación ha sido hecha en diferentes grados, algunos se encuentran más concentrados que otros, o pueden ser craqueados ó sea, descompuestos en moléculas más simples, o pueden ser polimerizados o son moléculas simples asociadas con las más pesadas. Considerando que el petróleo está descompuesto de tantos hidrocarburos no hay ensayo que permita decir su comportamiento exacto; pero hay ensayos comparativos normalizados, tales como de la ASTM.  GASEOSOS Combustibles que se encuentran en estado natural o artificial en forma de gas; algunos provienen de la extracción natural, tal como el gas natural, cuyo proceso 4

de refinamiento da una serie de diferentes tipos; en cuanto al más usado especialmente es de tipo domestico que es el propano. VALOR CALORIFICO O PODER CALORIFICO Realizada una reacción química de tipo exotérmico, lógicamente desprende calor, esta cantidad de calor medidas en condiciones estándar se le conoce como valor calorífico. Existen 2 tipos de valor calorífico; el “valor calorífico alto “y “el calor calorífico bajo “; cuya diferencia está en la consideración del agua en la formación como producto de la combustión; es decir tomándola como condensado o como vapor y cuya relación es: QALTO − QBAJO = Calor latente del vapor de agua

En cálculos de ingeniería se trabaja con el valor calorífico alto – cuyo promedio de los principales combustibles mencionados son: Carbón: 700 Kcal / Kg Petróleo: 10 – 500 Kcal / Kg Gas: 252 Kcal /pie3 BOMBA CALORIMETRICA DE EMERSON Basa su funcionamiento en los principios de transferencia de calor para lo cual se lleva una cantidad determinada de combustible hasta su temperatura de ignición; el calor desarrollado por la combustión es transmitido a un elemento fluido (en nuestro caso agua); lo cual nos permite medir el calor liberado por el combustible. El poder calorífico obtenido es a volumen constante, puesto que un hay flujo másico; cabe mencionar que esta difiere muy poco del poder calorífico a presión constante (1%), por tanto para cálculos de ingeniería pueden tomarse indistintamente estos poderes caloríficos mencionados. Esta bomba presenta una camiseta de agua según se aprecia en la figura mostrada más adelante pudiendo agregar calor desde un medio externo hacia esta camiseta obteniéndose entonces condiciones de temperatura uniforme con el adecuado control de esta transferencia de calor; como segunda alternativa podríamos dejar esta camiseta vacía y obtener condiciones con similitud adiabática. Considerando la bomba como un sistema cerrado a volumen contante tenemos:

5

E t1 º = Ur º + E c Urp = q v º E t2 º = Up º

Antes de Encendido (25º C): T = 0: Después de encendido (25 º C):

Donde el análisis es considerado a condiciones estándar, o sea 77ºF (25 ºC) y 14.7 psi (1 atm) y el medio interior está saturado de agua; por tanto el vapor de agua formado es únicamente producto de la combustión; el cual al ser enfriado junto con los productos hasta las condiciones estándar, cede su calor obteniéndose de este modo el valor del poder calorífico alto o superior. Donde: U: representa energía interna. E0 : representa energía química. Y los índices “r”, “p” y “t” se refieren a reactivos, productos y total respectivamente; así mismo, condiciones “2”, con estándar. Entonces la energía que sale del sistema según los estados (1) y (2) del esquema anterior: 1º Ley de la Termodinámica:

Q = Et + W

Ya que no hay trabajo puesto que es un sistema cerrado: Et1 º − Et2 º = q v º = Q …………………….. (I) q v º = (Ur º + Ec ) − (Up º ) …………………. (II) Por lo tanto: (Kcal / Kg de combustible en un proceso a T = cte.) Ec = (Up º − Ur º ) + q v º ……………….… (III) Por otra parte, considerando dos estados cualesquiera (1) y (2) en combustión adiabática:

Et1 = Ur1 + Ec Q=0 Et2 = UP2 De (I): E t1 − E t2 = 0

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(Ur1 + Ec ) − (UP2 ) = 0 Pero: Ec = (Up º − Ur º ) + q v º

Por tanto: (UP2 − Up º ) = (Ur1 − Ur º ) + q v º q v º = (UP2 − Up º ) − (Ur1 − Ur º ) , solo en procesos de Combustión adiabática. Si el H2 O se condensa obtenemos el poder calorífico bajo a volumen constante, en cambio si se condensa después de la combustión obtenemos el poder calorífico alto. Tal como se indico líneas atrás, este poder calorífico, es obtenido a volumen constante y su diferencia con el poder calorífico a presión constante encontrado usualmente en tablas radica en: q v º = (Ur º − Up º ) + (Ec ) Pero sabemos que:

H = U+Pv

y

Pv= RTn

Entonces: q p º = (Hr º − Hp º ) + (Ec ) (II) en (IV) q p º = (Hr º − Hp º ) + (q v º + Up º − Ur º ) ̅T º ) − (UP º + nP R ̅ T º ) − Ur º + U p º (q p º − q v º ) = (Ur º + nr R Por lo tanto ̅T º (nr − nP ) Kcal / Kg combustible (q p º − q v º ) = R Donde: nr = numero de moles de reactantes gaseosos. nP = numero de moles de productos de combustión disipadores de calor (CO2 ) NOTA:

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Ambos obtenidos del balance de la ecuación de combustión. Se ha hallado que el valor ̅T º (nr − nP ) es de 1% por lo tanto en cálculos de ingeniería es aceptable. promedio de: R

Tal como se ah visto anteriormente la única energía que cruza el sistema es q v º que es el calor que aprovecha el agua contenida en el interior de la bomba, por tanto; conociendo esta masa de agua; masa y calor especifico del recipiente; masa del combustible y la curva de calentamiento y enfriamiento transitorio es factible hallar energía calorífica disipada durante el proceso de combustión. QC = mc ∗ Pc ( calor cedido por el combustible ) QB = mB ∗ cPB ∗ TB ( calorganado por la bomba ) Q H2 O = mH2 O ∗ cPH2 O ∗ TH2 O ( calorganado por el agua ) Q C = Q B + Q H2 O Donde: TB = TH2 O = T QC = mB ∗ cPB ∗ T + mH2 O ∗ cPH2 O ∗ T Por lo tanto: PC =

(T) (mB ∗ cPB + mH2 O ∗ cPH O ) 2 mC

Donde: mB ∗ cPB + mH2 O ∗ cPH2 O Se conoce como capacidad térmica de absorción de la bomba y es dato proporcionado por el fabricante (K). Este poder calorífico es necesario corregirlo por el calor liberado por el fusible (aprox. 1600 cal/gr); Por formación de acido nítrico (230 cal/ gr de acido nítrico) en trabajos de menos precisión tomar 10 cal; por formación de acido sulfúrico ( 1300 cal/gr de azufre presente en la muestra )

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EQUIPOS E INSTRUMENTOS UTILIZADOS

Bomba calorimétrica Marca: BAIRD & TATLOCK LTD. MADE IN ENGLAND Serie: 1506 – 845B

Agitador Marca: BAIRD & TATLOCK LTD. MADE IN ENGLAND Serie: K 5T110 nº 15 Voltaje: 200/20 Amperios: 5

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Potenciómetro Marca: BAIRD & TATLOCK LTD. MADE IN ENGLAND Serie: Y 109679 nº6 Voltaje: 110/250 Amperios: 7

Balanza Marca: OHAUS SCALE CORPORATION. FLORHAM PARK, USA Serie: 9878 Capacidad: 2610 gr. Aproximación: 0.1 gr.

Termómetro de precisión Serie: 6472303 Rango: 18-24 ºC Aproximación: 0.01 ºC

Termómetro de bulbo de inmersión total Marca: BOECO GERMANY Rango: -24/120 °C Precisión: ± 0.5 °C

Cronómetro Marca: CASIO Versión: HS-3 Aproximación: 1/100 seg.

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Probeta de vidrio 500 ml Marca: PYREX U.S.A. Nº: 3042

Balón de oxígeno Serie: UNI 488892 / G7G11

Alambre Material: Nicrom

Combustible de estudio Tipo: Diesel

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Recipiente para estudio

PROCEDIMIENTO

Para determinar el poder calorífico con la Bomba Calorimétrica de Emerson se siguen los siguientes pasos:

- Desarmamos la bomba calorimétrica con la finalidad de sacar el pequeño recipiente o mejor dicho el crisol contenido en su interior el cual debe ser pesado. Una vez hecho esto agregaremos dentro del crisol 1 gr aproximadamente de nuestra muestra de combustible (DIESEL 2).

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- En la tapa de la bomba calorimétrica acomodaremos un pequeño filamento que es nada menos un pequeño alambre de nicrom de unos 10 cm. de longitud el cual se va encargar de proporcionar la chispa para que la muestra de Diesel 2 combustione.

- Debemos asegurarnos que el interior de la bomba este limpio para ello pasaremos dentro de el un paño seco para así después proceder al ensamblaje de la bomba

calorimétrica.

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- Ahora tomaremos con mucho cuidado el pequeño crisol con su contenido de combustible y lo acomodaremos en el anillo que esta en la tapa de la bomba, después el filamento ya mencionado anteriormente lo acercaremos lo mas posible al combustible pero sin que lleguen a tocarse. Luego procedemos a ensamblar la bomba calorimétrica y ajustando la tapa, siempre evitando el hacer movimientos bruscos como sacudirlo o golpearlo los cuales pueden derramar el contenido del interior. - La bomba calorimétrica es llenada con oxígeno a presión, esto se realiza a una presión 25 atmósferas, con la ayuda de un tanque de oxígeno. El objetivo de este proceso es el de asegurarnos que dentro de la bomba exista un exceso de oxígeno el cual nos dará la certeza

de

una

combustión

completa

del

diesel

2.

- Después de haber realizado el llenado de la bomba con oxígeno haremos las conexiones de este con un aparato eléctrico el cual nos suministrara la intensidad de corriente útil para la producción de la chispa necesaria para la combustión. Este aparato eléctrico esta provisto de una serie de llaves y luces, si oprimimos una llave y: - Se enciende un foco de color verde esto nos indicara que la conexión realizada con el alambre nicrom contenido dentro de la bomba esta cerrando circuito siendo esto fundamental para la realización del experimento, en caso contrario tendríamos que desarmar la bomba y revisar las conexiones con el filamento o alambre nicrom.

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- Cuando observamos que se enciende el foco de color rojo tendremos la seguridad de que se esta llevando a cabo la combustión del diesel 2. - La bomba calorimétrica se toma con cuidado y con ayuda de una especie de gancho es puesta dentro de un recipiente el cual contiene agua tapando ligeramente la superficie de la bomba. Después todo este recipiente y su contenido es llevado a otro de mayor tamaño que viene a ser conocido como la camiseta de agua. -En estas condiciones instalamos el agitador eléctrico. Ponga en marcha el agitador deje transcurrir de 3 a 4 min. para que se uniformice la temperatura del agua. - En estos momentos oprimimos la llave de "fire" para iniciar el proceso de combustión, notaremos que la luz roja se enciende e instantes después se apagara donde se iniciara la toma de lecturas de temperatura cada 30 seg. y momentos después cada 5 min. Estas lecturas son necesarias para calcular las pérdidas de calor a la camisa externa.

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- Registre la temperatura cada 30 seg hasta que se alcance la máxima temperatura. El observador del termómetro debe estar bien alerta

porque

temperatura

el

aumento

es

muy

de

la

grande

inmediatamente después del encendido. - Finalizado la toma de lecturas desinstale el termómetro y los cables eléctricos, saque la bomba del calorímetro, suelte los gases, y desarme la bomba.

Luego se repiten los mismos pasos para la combustión pero a 10 atm de oxigeno. Por último se comparan los productos de las dos combustiones y se analiza el poder calorífico en cada una de ellas con los datos tomados de la medición de temperaturas.

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RESULTADOS OBTENIDOS Hallamos el poder calorífico del diesel: PC =

(mH2O ∗ CeH2O + mrecp. ∗ Cerecp. ) ∗ ∆T mcomb.

∆T = Tf − Ti Ti = 30 ℃

Tf = 36.4 ℃

mH2O = 1.9 kg mrecp. = 0.007 kg mcomb. = 0.001 kg CeH2O = 1

Kcal kg °C

capacidad calorífica = mH2O ∗ CeH2O + mrecp. ∗ Cerecp. = 2.399

Kcal ºC

El poder calorífico que hallaremos será el superior ya que al término del ensayo se observó pocas gotas de agua en las paredes de la bomba calorífica: PCS =

(2.399)(6.4 ) 0.001

𝐏𝐨𝐝𝐞𝐫 𝐜𝐚𝐥𝐨𝐫í𝐟𝐢𝐜𝐨 𝐬𝐮𝐩𝐞𝐫𝐢𝐨𝐫 = 𝟏𝟐𝟗𝟓𝟒. 𝟔

𝐊𝐜𝐚𝐥 𝐊𝐉 = 𝟓𝟒𝟐𝟐𝟕. 𝟗𝟓 𝐊𝐠𝐜𝐨𝐦𝐛. 𝐊𝐠𝐜𝐨𝐦𝐛.

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Temperatura vs Tiempo 40

2, 35.8 2.5, 36.4

35

3.5, 36.4

3, 36.4

4.5, 35.8 4, 36 6, 34.4 5, 35.2

1.5, 34

7, 33.6

8, 32.3 10, 31.4 9, 31.6

30

12, 30.2 11, 30.6

1, 30

14, 28.8 13, 29.4

16, 28.4

15, 28.4

17, 28.4

0.5, 25

25

Temperatura

0, 24.8

20

15

10

5

0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Tiempo

20

Según la literatura, el poder calorífico superior de un combustible Diesel 2 es 44800.9 KJ/Kg (10.7 Kcal/Kg): Comparando con el valor obtenido experimentalmente se obtiene %error =

PCSexperimental − PCSteórico · 100% PCSteórico

%error =

54227.95 − 44800.9 · 100% 44800.9

%𝐞𝐫𝐫𝐨𝐫 = 𝟐𝟏. 𝟎𝟒 %

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OBSERVACIONES



Si se hubiera hecho la combustión a 10 atmósferas hubiéramos presenciado un fenómeno denominado “formación de hollín”, producto de la combustión incompleta dentro de la bomba calorimétrica de Emerson.



Se observó que colocar el alambre que produce la chispa es una labor que requiere de practica por ello el profesor encargado llevó a cabo dicha labor.



El ensayo se puede ampliar a combustibles sólidos (dado que hicimos la prueba solamente con elementos líquidos).



Se observa que cuando abrimos la bomba de Emerson en su interior solo hay restos del vapor de agua que se condenso en las paredes del recipiente. Esto se debe a que se llevó a cabo una combustión completa a la presión de 25 atmosferas.



Se apreció que es importante utilizar un termómetro de precisión con menor rango pero mayor escala mínima para así tomar las lecturas más precisas para las variaciones de tiempo.

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CONCLUSIONES



Cuando se abrió la bomba, se observó que en su interior restos del vapor de agua que se condenso en las paredes del recipiente. Esto se debe a que se llevó a cabo una combustión completa y se obtuvo el poder calorífico superior.



El hecho de asumir que el calor producido por la combustión es el que absorbe el agua (y por tanto, la razón del incremento de su temperatura) genera resultados que no corresponden exactamente con los resultados físicos reales, sin embargo, esto son próximos. Si bien todo el proceso se realiza dentro de una camiseta adiabática para evitar fugas de calor durante el proceso, el calor que absorbe el agua no es el poder calorífico del combustible, debido a diversos factores, entre los cuales pueden nombrarse: la absorción de calor por la propia bomba, liberación de calor del filamento de ignición, liberación de calor por la formación de óxidos y ácidos, entre otros.



Se observa el proceso de transferencia de calor mediante el termómetro instalado en la bomba. Durante el calentamiento y el enfriamiento de agua.

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RECOMENDACIONES



Siendo una de las principales causas de la obtención de mediciones erróneas, el factor humano por la falta de conocimiento y precisión en la lectura de los instrumentos usados, antes de realizar mediciones, es necesario orientar al alumno en el uso apropiado de los instrumentos, así como también, los pasos a seguir en el desarrollo de la experiencia que se realizará.



Manipular con mucho cuidado los utensilios que se están utilizando, como la probeta porque son muy frágiles.



Se recomienda utilizar una balanza digital, ya que es mucho más precisa y se evita introducir errores en la experiencia.



Se recomienda realizar algunas mediciones adicionales como la masa del filamento antes y después de la experiencia para poder calcular el calor que aporta su fusión.



Como parte de la experiencia realizada, y para tener una mayor precisión en los resultados también es recomendable repetir unas dos o tres veces más el ensayo con el combustible, esto con la finalidad de tener más datos recogidos.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Manual de laboratorio de ingeniería mecánica. Tomo I, Profesores de Dpto. de Energía –FIM

Manual de Mecánica para no Mecánicos. Vargas, Juan Carlos. Intermedios Editores. Colombia, 1999.

El laboratorio del ingeniero mecánico. Jesse Seymour Doolittle

Manual de Ingeniero Mecánico. Avallone, Eugene A.Tomo 1 y 2. Novena Edición. Mc Graw Hill. México, 1996.

Mecánica de los Fluidos. Mott, Robert. Cuarta Edición. Prentice Hall. México, 1996.

Mechanical Engineering Laboratory. J. Benton Jones. 2001.

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