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
11
1
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”
2
3. Marco Teórico 3.1 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: 3
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.
Te (ºC) : Temperatura de ingreso del agua. Ts (ºC) : Temperatura de salida del agua. Vgas
(m3) : Volumen de gas en el contador.
3.1.2 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
KJ m
Calor por Evaporación de la masa de condensado
m k .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 Ve (m3): Volumen de gas.
4.
Esquema de Principio del Equipo
4
4.1 CALORIMETROS Son aparatos que se utilizan en los laboratorios para la determinación de los poderes caloríficos de los combustibles. 4.2 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.
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
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 6
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. 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
7
Nº 1 2 3
7.
Vgas(l) 3 3.5 4
Vagua(ml) 410 470 555
To(ºC) 20 20 20
Tf(ºC) 53 55 55
Tiempo(s) 48.5 57.5 65
Cálculo
PRUEBA Nº 1 PODER CALORIFICO SUPERIOR (H0) H0
m H 2O .Ce H 2O . Ts Te V gas
H 0 18878.86
KJ
0.41Kg . 4.186. KJ
Kg .º C . 53 20 º C 3.10 .m 3 3
m3
PODER CALORIFICO INFERIOR (HU) En la ecuación de combustión para el Propano (C 3H8):
Haciendo el Balance de la Ecuación:
Además:
Cálculo de la masa condensada (mk):
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Se obtiene hfg para la presión parcial mediante interpolación:
Luego, en la ecuación: τ = (mk)(hfg)/ve = (0.0108)(2378.90756)/(3.10-3) τ = 8564.067216 KJ
m3
PODER CALORIFICO INFERIOR HU = H0 – τ KJ
m3
HU = 18878.86 – 8564.067216 = 10314.79278 KJ
m3
PRUEBA Nº 2 PODER CALORIFICO SUPERIOR (H0) H0
m H 2O .Ce H 2O . Ts Te V gas
H 0 19674.2
KJ
0.47 Kg . 4.186. KJ
Kg .º C . 55 20 º C 3,5.10 .m 3 3
m3
Luego, en la ecuación: τ = (mk)(hfg)/ve = (0.0108)(2378.90756)/(3,5.10-3) τ = 7340.629042 KJ
m3
PODER CALORIFICO INFERIOR (HU) H U H 0 19674.2 7340.629042 H U 12333.57096
KJ
m3
9
PRUEBA Nº 3
PODER CALORIFICO SUPERIOR (H0) H0
m H 2O .Ce H 2O . Ts Te V gas
H 0 20328.2625
KJ
0.555Kg . 4.186. KJ
Kg .º C . 55 20 º C 4.10 .m 3 3
m3
Luego, en la ecuación: τ = (mk)(hfg)/ve = (0.0108)(2378.90756)/(4.10-3) τ = 6423.050412 KJ
m3
PODER CALORIFICO INFERIOR (HU) H U H 0 20328.2625 6423.050412 H U 13905.21209
8.
KJ
m3
Ç
Tabulación de Resultados Nº 1 2 3
9.
P.C.S (Ho) (KJ/m3) 18878.86 19674.2 20328.2625
Calor Evap. (KJ/m3) 8564.067216 7340.629042 6423.050412
P.C.I (Hu) (KJ/m3) 10314.79278 12333.57096 13905.21209
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).
10
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 http://es.slideshare.net/yemica/bomba-de-junker http://documents.tips/documents/bomba-de-junker-55b0d5e7b291a.html Laboratorio del Ingeniero Mecánico – Jesé Seymour http://alumno.us.es/a/amaluqsen/termo2.pdf
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