UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPART DEPARTAMENTO AMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA ESCUELA PROFESIONAL DEL GAS NATURAL NATURAL Y ENERGÍA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA AMBIENTAL ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA INDUSTRIAL
Termodin Termodinámica ámica de los procesos procesos químicos 1
APLICACIÓN DE LA 1° Y 2° LEY DE LA TERMODINAMICA AL HORNO DE FUNDICIÓN ‘SAN PARA: CRISTOBAL’ Ms. WALTER ALTER FUENTES LOPEZ
REALIZADO POR: AQUINO BARZOLA, DEYANIRA DEYANIRA
IQ IND
CORDOVA CORD OVA CUNYAS, JHANCARL JHAN CARLOS OS BRAYAN BRAYAN
IQ GNYE
NUNAJULCA TOVA TOVAR, PILAR
IQ AMB AMB
HURTADO HURTADO CRISTOBAL, ANTONY
IQ AMB
POMA DAMIAN, DANIEL
IQ AMB
SEMESTRE: V FECHA: 16/1/1!
HYO- PERÚ 2015
RESUMEN En el siguiente trabajo se aplicó la primera y segunda ley de la termodinámica al horno de fundición San Cristóbal que está ubicado en Chilca, Huancayo, para esto se realizó 3 isitas de recaudación de información! caracterizando el func funcio iona nami mien ento to,, estr estruc uctu tura ra,, aria ariabl bles es y mate materi rial al de todo todo el proc proces eso o de elaboración de piezas fundidas de aluminio! dependiendo de las condiciones ambientales" #eterminamos las caracter$stica por el cual el horno posee una altura de %,&' m, %,%( m de largo y un ancho de %,)m! el olumen es de *,+' m3, la capacidad capacidad del del horno es de %**g, %**g, el tiempo de cocción cocción es de '( minutos minutos o *,-( horas! la temperatura inicial es de )&.,%( /temperatura ambiente0, la temperatura de cocción )'(3,%( , la temperatura de las paredes en la parte interna es de )))+,%( y en la parte e1terna es de %).&,%( " Seguidamente realizamos el balance de materia el cual nos indicó que ingresan .&,- g de alum alumin inio io y sale salen n .&,' .&,' g de alum alumin inio io fund fundid ido, o, as$ as$ tamb tambi2 i2n n real realiz izam amos os el balance de materia y energ$a energ$a y con principios de la primera y segunda segunda ley de la termodinámica dándonos como calor total 3*&.(),'(* , determinamos la eficiencia que resultó +),.%4 y su entrop$a fue %*),.'5" 6inalmente se pudo aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica al horn horno o de fund fundic ició ión n de S78 S78 C9:S C9:S; ;<=7> <=7> que que está está ubic ubicad ado o en Chil Chilca ca,, Huancayo"
INTRODUCCIÓN >a fundición es el procedimiento más antiguo para dar forma a los metales" 6undamentalmente radica en fundir y colar metal l$quido en un molde de la forma y tama?o deseado para que all$ solidifique" @eneralmente este molde se hace en arena, consolidado por un apisonado manual o mecánico alrededor de un modelo, el cual se e1trae antes de recibir el metal fundido" 8o hay limitaciones en el tama?o de las piezas que puedan colarse, ariando desde peque?as piezas de prótesis dental, con peso en gramos, hasta los grandes bastidores de máquinas de arias toneladas" Este m2todo, es el más adaptable para dar forma a los metales y muchas piezas que son imposibles de fabricar por otros procesos conencionales como la forja, laminación, soldadura, etc" >a producción de piezas fundidas es de gran importancia, por la demanda en diferentes empresas, su calidad depende mucho de la materia prima y la eficiencia del horno, para poder calcular esta calidad se procede a realizar cálculos de balance de materia y energ$a y la selección adecuada de aluminio" 7s$ se puede ayudar a comprender la %A y )A >ey de la ;ermodinámica para luego utilizar estos conocimientos en el desempe?o de la :ngenier$a Bu$mica"
OBJETIVOS OBJETIVO ENERAL! 7plicar la primera y segunda ley de la ;ermodinámica al horno de fundición San CristóbalD
OBJETIVOS ESPEC"FICOS! #eterminar las caracter$sticas del horno de fundición San Cristóbal 9ealizar el balance de materia del horno de fundición" 9ealizar el balance de energ$a del horno de fundición #eterminar la entrop$a del horno de fundición" Hallar la eficiencia del horno de fundición"
MARCO TEÓRICO # BALANCE DE MATERIA Y ENER"A B$%$&'( )( *$+(,$
El objetio 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" >os balances de materia son de hecho, una generalización de la ley de la conseración de la materia a sistemas abiertos, esto es, sistemas con posibles entradas y5o posibles salidas de materia al e1terior" 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
ENTRADA mat − SALIDA mat + PRODUCCIÓN mat = ACUMULACIÓN m at
B$%$&'( )( (&(,./$ En ez de usar las palabras F>ey de conseración de la energ$aG, en esta definición se usa F=alance de Energ$aG, la cual es definida como un principio f$sico tan fundamental que usamos arias clases de energ$a para asegurar que la ecuación quede realmente balanceada" n =alance de Energ$a es la e1presión matemática de la ley de conseración de una propiedad, en este caso, la energ$a" >a Fley de conseración de la energ$aG que establece que 2sta no se crea ni se destruye" Sistema A(,+! Se intercambia materia con los alrededores" Sistema C(,,$)! 8o intercambia materia con los alrededores"
Sistema A%$)! 8o intercambia materia ni energ$a"
B$%$&'( .(&(,$% 3$,$ (&(,./$! ENTRADA mat = SALIDAmat + ACUMULACIÓN mat
ENTRADA - SALIDA! Energ$a neta transferida al sistema a tra2s de los alrededores"
ACUMULACIÓN! incremento de energ$a total del sistema energ$a final del sistema Ienerg$a inicial del sistema"
[ ENTRADA ]−[ SALIDA ]=Q +W
4 calor transmitido hacia el sistema desde los alrededores" trabajo realizado por el sistema" B$%$&'(! I*$.(& N°01! B$%$&'( )( (&(,./$ (& 6& +(*$
Fuente! I&+(,&(+ 7778$%$&'()((&(,.$8'*
# HORNO D(9&':&! 7parato destinado a cocer o calentar alguna materia a altas temperaturas, consiste en una chimenea y diersas bocas por donde se introducirá las sustancias a ser cocidas" En el horno se quema el combustible en contacto con cierta cantidad recomendada de aire en e1ceso! puede haber una peque?a p2rdida de energ$a al ambiente" >a energ$a liberada se incorpora a los gases antes de salir del horno y todos los compuestos olátiles se deben quemar antes de salir de 2ste" El tama?o y la forma del horno dependen del tipo de combustible, del dispositio que se use para quemarlo y de la cantidad de energ$a se debe liberar en un lapso determinado"
F+.,$9/$ N° 1! H,& A,+($&
%$F6(&+(! 3,3$
H,& )( 96&)':& Es un horno tradicional formado por unos ladrillos refractarios" ;iene forma de peque?a como sótano sobre una base plana y una sola abertura, la entrada" Se calienta mediante combustible /aceite quemado0" El grosor, la inercia t2rmica de la enoltura, guarda el calor"
T3 )( ;,& )( 96&)':& H,& )( %%$*$ ),('+$! Cuando la llama o productos de combustión están en contacto directo con la parte superior del ba?o l$quido y la transferencia de calor es por conección y radiación"
H,& )( %%$*$ &),('+$! >a llama o productos de combustión no está en contacto con la carga solida o liquida y la transferencia de calor es por conducción"
O3(,$'&( )(% ;,& )( 96&)':&! Jara asegurar que el fundido es bueno, es importante seguir los siguientes pasos Cargue combustible segKn el metal que se desea obtener" Seleccione la materia prima bien" 7bra la tapa del horno para colocar bien la materia prima lista para ser fundida" Cierre la tapa del horno para que la materia prima sea fundida" :nicie el derretimiento de la materia prima"
C&)(,$'&( )6,$&+( %$ <6(*$ 7limentar combustible si es que faltase para que pueda alcanzar la temperatura adecuada" Jara conocer si ya se alcanzó la temperatura adecuada se pueden usar los siguientes m2todos Jor el color de los arcos de los hornos o por el derretimiento de la materia prima"
M$&+(&*(&+ )(% H,& )( 96&)':& Jara conserar el horno en buenas condiciones y asegurar su buen funcionamiento por más tiempo, es importante cuidar lo siguiente •
•
Sellar las grietas que se allan presentando continuamente dentro y fuera del horno" 9eforzar los arcos" 8o dejar caer material fundido dentro del horno"
M$+(,$ 3,*$ = A%6*&! >a materia prima que se utiliza puede ariar ya sea fierro, aluminio u otro" >a cantidad a depender del trabajo que se quiera, ya sea fierro fundido, bronce, aluminio, placas num2ricas, campanas, rastras, etc"
C*6+%( = A'(+( <6(*$)! El aceite quemado a ser utilizado como combustible del horno" Esto se obtiene de los autobuses cuando hacen cambio de aceite" >a cantidad a a ariar dependiendo del material a fundir, pero un apro1imado para utilizar a ser L de un cilindro con aceite quemado"
# CONCEPTOS IMPORTANTES C$%,! El moimiento de los átomos y mol2culas crea una forma de energ$a llamada calor o energ$a t2rmica, que está presente en todo tipo de materia"
C$%, (3('/9'! Es la cantidad de calor medida en calor$as, que se requiere para elear la temperatura de un gramo de una sustancia un grado cent$grado"
T(*3(,$+6,$! Se deria de la idea de medir el calor o frialdad relatios y de la obseración de que el suministro de calor a un cuerpo conllea un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusión o ebullición"
T,$&9(,(&'$ )( '$%,! >os procesos f$sicos por los que se produce la transferencia de calor son la conducción y la radiación" >a conección se produce a tra2s del moimiento de un l$quido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente"
C&)6'':& )( '$%,! ;ransferencia de energ$a causada por la diferencia de temperatura entre dos partes adyacentes de un cuerpo" El calor se transfiere mediante conección, radiación o conducción" 7unque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos"
∆Q ∆ T =−kA ∆ t ∆x
L(> )( F6,(,! >a conducción t2rmica está determinada por la ley de 6ourier , que establece que el flujo de transferencia de calor por conducción en un medio isótropo es proporcional y de sentido contrario al gradiente de temperatura en esa dirección"
Q=− A . k .
dT dx
E&(,./$! Capacidad de un sistema f$sico para realizar trabajo" >a energ$a asociada al moimiento se conoce como energ$a cin2tica, mientras que la relacionada con la posición es la energ$a potencial"
E9'(&'$! Es la relación entre el trabajo total efectuado por una máquina en un ciclo y el calor que, durante ese ciclo, se toma de la fuente de alta temperatura"
e=
Q W Q1−Q 2 = = 1− 2 Q1 Q1 Q1
A,(! >a alimentación de aire es muy importante en el rendimiento del combustible, esta masa de aire de pasar antes por un filtro, aumentar su temperatura despu2s por el entilador finalmente por el quemador con un e1ceso de )*4 de aire y una temperatura m$nima de )( AC"
$( )( ';*(&($! Es importante conocer la cantidad de los componentes de combustión y la temperatura que no debe sobrepasar de 3** *C"
C$%, 3(,)) (& % .$( )( ';*(&($
C*6+:&! Se entiende por combustión, la combinación qu$mica iolenta del o1$geno /o comburente0, con determinados cuerpos llamados combustibles, que se produce con notable desprendimiento de calor"
# PRIMERA LEY DE LA TERMODIN?MICA El t2rmino energ$a tiene diersas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para realizar trabajo, transformar, poner en moimiento" ;odos los cuerpos, pueden poseer energ$a debido a su moimiento, a su composición qu$mica, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades" El uso de la magnitud energ$a en t2rminos prácticos se justifica porque es mucho más fácil trabajar con magnitudes escalares, como lo es la energ$a, que con magnitudes ectoriales como la elocidad y la posición" F>a ariación de la energ$a en un sistema durante una transformación es igual a la cantidad de energ$a que el sistema recibe de sus alrededores"G
∆ E SISTEMA +∆ E ALREDEDORES=0 MMMMM"" /%0
En la ariación de energ$a del sistema, cuando la masa del sistema es constante y sólo participan cambios en las energ$as interna, cin2tica y potencial tendremos"
∆ E SISTEMA = ∆ U + ∆ E c + ∆ E p MM"" /)0 El cambio en la energ$a total de los alrededores al sistema es igual a la energ$a neta transferida hacia o desde 2l, como calor y trabajo"
Ealrededore =! Q ! W MMMM /30 Jara la elección del signo, el análisis se hace a partir de lo que sucede en el sistema, se elige •
•
•
•
NO El sistema recibe trabajo PO El sistema realiza trabajo hacia los alrededores NB Se transfiere calor hacia el sistema PB Se transfiere calor del sistema hacia los alrededores +Q
SISTEMA
+W
-Q -W
Considerando los cambios que suceden el sistema y los alrededores, se tiene ∆ U + ∆ Ec + ∆ E p =! Q ! W
MMM"" /'0
SEUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA Es conocida como principio de la transformación y conseración de la energ$a y el concepto de entrop$a y segKn el enunciado de dos descubridores define a la segunda ley como
E&6&'$) )( CLAUSIUS! 8o hay ninguna transformación termodinámica cuyo Knico efecto sea transferir calor de una fuente fr$o a otro caliente"
E&6&'$) )( @(%&! 8o hay ninguna transformación termodinámica cuyo Knico efecto sea e1traer calor de una fuente y conertirlo totalmente en trabajo" >a segunda ley no proh$be la producción de trabajo a partir del calor, pero coloca un l$mite sobre la fracción de calor que en cualquier proceso c$clico puede conertirse en trabajo"
PARTE EPERIMENTAL • • • • • • •
ASPECTOS INFORMATIVOS DE LA EMPRESA E*3,($! fundición FSan CristóbalG P,3(+$, > A)*&+,$),! Sr" ;ito ;omas @onzales" C(%6%$,! .+'*-3%-+ 5 .')-3('%+" U'$':&! r" 7ncash 8Q 3)* P Chilca" M(,'$)! >os productos son dirigidos a diersas partes de Huancayo" A )( ',($':& )( %$ (*3,($! %.-* T(*3 )( 96&'&$*(&+ )(% ;,&! '( a?os" >os datos en esta segunda parte se obtuieron con las consultas del encargado de la fundición y la ratificación con el m2todo, la t2cnica, los equipos e instrumentos aqu$ utilizados"
MATERIALES Y METODOS E4UIPOS E INSUMOS E<63 Horno de fundición
I&6* 7luminio 7ceite quemado
INSTRUMENTOS % pirómetro % balanza % huincha
MTODO UTILIADO El m2todo empleado es el m2todo e1perimental"
TCNICA >a t2cnica utilizada es instrumental"
PROCESO TECNOLÓICO UTILIADO E+,$'':& )( %$ *$+(,$ 3,*$! Jara obtener la materia prima, se comprara de lugares donde enden fierro, aluminio o bronce que ya no tenga uso" Esto despu2s será partido en pedazos para ser puesto en un crisol"
P6(+$ $% ',%! #espu2s de obtener el material en pedazos, esto será colocado dentro de un crisol para que sea fundido"
M%)($)! >a pieza que se desea obtener será primero moldeada, cuando esto est2 terminado de moldear, se pasara a echar el material derretido en el molde para as$ obtener la pieza requerida"
H,&($) )( %$ *(G'%$! El horno de la 6undición FSan CristóbalG a tener una forma cubica, la cual a a estar debajo de la tierra, donde será colocado el crisol con el aluminio que se desea ser fundido, luego se procederá a cerrar, como se muestra en la fotograf$a
Fotografía N° 1: Encendido
Fuente
R(+, )(% *$+(,$% 96&)) )(% ;,&! Cuando el material se ha derretido estará listo para ser retirado del horno, para lo cual utilizamos unas tenazas metálicas como se muestra en la fotograf$a"
Fotografía N° 2: Retiro del
Fuente
DATOS TABLA N° 1:
CARACTER"STICAS DEL HORNO D*(&&( )(% ;,& V%6*(& )(% ',% C$3$')$) )(% ;,& T(*3 )( ''':& T(*3(,$+6,$ &'$% T(*3(,$+6,$ )( ''':& T(*3(,$+6,$ )( %$ 3$,()( &+(,&$ T(*3(,$+6,$ )( %$ 3$,()( (+(,&$
R R R R R R R
7ltura %"&' m >argo %"%( m 7ncho %")m *"+' m3 %** g *"-(hT'( minutos )&."%( /temperatura ambiente0
R R
)'(3"%( )))+"%(
R
%).&"%(
TABLA N° 2:
CARACTER"STICAS DE LA MATERIA PRIMA R R R R
A%6*& C*6+%( R()6
Jeso inicial .&"- g Jeso final .-"+ g 7ceite quemado .."+ g Escoria *"& g
TABLA N° 3:
LO 4UE ENTRA Y LO 4UE SALE DEL HORNO
E&+,$)$
S$%)$
R .&"- g de aluminio R .."+ g de combustible Se tiene los siguientes porcentajes 4C (*"3 4H +") 4< '3"*& 48 *"*' R 7ire alimentado con 3*4 en e1ceso R .-"+ g de aluminio fundido R *"& g de escoria R g de gas de chimenea Jor lo que tiene los siguientes compuestos en el gas de chimenea 48) 4<) 4C<) 4C< 4H)<
C?LCULOS! B$%$&'( )( *$+(,$ (& %$ 96&)':& )( $%6*&! 98.7 k"
•
Uasa de aluminio
•
Cantidad de aire
•
Uasa de aluminio fundido
•
Escoria
30
en e1ceso" 97.6 k"
0.8 k"
". '( de (as de c/imenea%
DIARAMA DE BLO4UES! %N 2= & %O2
!"#$%& '( de aluminio
8"#&%* '( de aluminio 9undido
K )"##%*'( de )omus,ile%
%CO =& HORO 2
0)arono"2%3 0Hidro(eno"*%4 0O5i(eno"63%2$ 0i,r7(eno"2%26 0/umedad"2%3$
CO R"2%$ '( de escoria
K
%' 2 O= A". '( de aire alimen,ado% 320 de e5ceso
=7>78CE @><=7>
# + P + R= A + C + $ # + 97,6 + 0,8 = A + 99,6 + 98,7 # − A = 99.9 k"
TABLA Nº 4: BALANCE ESTEQUIOMETRICO
Comp"
4V
9eacción qu$mica"
'*
CN<)
%*"3
CN%5)<)
H)
+")
H)N%5)<)
<)
C
C<)
m/g0
3."&'
JU
%)
n /mol g0
Uol C<) 6orm"
3"3)
3"3)
C<
%*")+
*"&+
H)<
+"%-
)
3"*.
'3"*&
')".%
3)
%"3'
8)
*"*'
*"*'
)&
*"**%
Humedad
*"3&
*"3-
;otal
%**"**
.."+
Uol C< 6orm"
Uol H)< 6orm"
Uol 8) gases
Uol <) @ases
*"&+ 3"*. %"3' *"**%
3"3)
*"&+
3"*.
*"**%
;omando en cuenta las reacciones determinadas n/molPg0 de C<), H)< y C< formados y la cantidad de <) requerido estequiom2tricamente /teórico0 en cada una de las reacciones"
P,*(, )&)( ,($''&$ (% C! R($'':& )( '*6+:& '*3%(+$ 1 molk"CO2
molk"CO2 prod(c)do =3.32 molk"C
1 molk"C
= 3.32 molk"CO2
1 molk"C O 2
molk"O2 reacc)o*a*te =3.32 molk"C
1 molk"C
=3.32 molk"O2
R($'':& )( '*6+:& &'*3%(+$ 1 molk"CO = 0.86 molk"CO molk"COprod(c)do =0.86 molk"C 1 molk"C 0,5 molk"O2
molk"O2 reacc)o*a*te =0.86 molk"C
1 molk"C
=0.43 molk"O2
S(.6&) )&)( ,($''&$ (% H 2! molk" ' 2 Oprod(c)do =3.09 molk" ' 2 molk"O2 re+(er)do =3.09 molk" ' 2
1 molk" ' 2 O 1 molk" ' 2
0,5 molk"O2 1 molk"' 2
=3.09 molk" ' 2 O
= 1.545 molk"O2
C$&+)$) )( N2 > O2 $%*(&+$) (& (% '*6+%(8 molk" N 2 al).e*elCom.=0.001 molk"N 2 molk"O al).e*elCom. =1.34 molk"O 2
2
%"3'
C$&+)$) )( O2 +(:,'! molk"O2 te,r )co =5.295 molk"O2 C%'6% )( %$ '$&+)$) )( $,( $%*(&+$) A 100 molk"a)real)me*tado molk"a)reteor)co =5.295 molk"O2 21 molk"O 2
(
)
molk"a)rete,r)co =25.21 molk" a)re te,r)co
molk" a)re exceo =25.21 molk"a)rete,r)co
(
30 molk"a)reexceo 100 molk" a)re te,r)co
)
molk" a)re exceo =7.563 molk" a)re exceo molk"a)re al)me*tado =25.21 molk" a)re te,r)co + 7.563 molk" a)re exceo
molk" a)re al)me*tado=32.773 molk"a)re al)me*tado •
C%'6% )( % .$( )( ';*(&($ ! NITRÓENO! molk" N 2 #.C' .=32.773 molk" A.al)me*tado
(
79 molk" N 2 e*#.C' . 100 molk"
A.al)me*tado
)
molk" N 2 #.C' .=25.89 molk" N 2 + 0.001 molk" N 2 com-(t)-le k" N 2 # . C ' .= 25.891 molk"N 2
O"ENO! molk"O2 #.C'. =molk"O2 + molk"O2 com-(t)-le molk"O =7.563 molk"a) ℜ exceo 2
molk"O =1.588 molk"O 2
(
21 molk"O2 100 molk"a)reexceo
)
2
molk"O2 #.C'. =1.34 molk"O2 +1.588 molk"O2 com-(t)-le molk"O2 #.C ' .=2.928 molk"O2
MONÓIDO DE CARBONO!
(
molk"CO prod(c)do =0,86 molk"C
)=
1 molk"CO 1 molk"C
0.86 molk"CO
k"CO prod(c)do =0.86 molk"CO
( molk"CO )= 28 k"CO
1
DIÓIDO DE CARBONO! molk"CO2# .C' . =molk"CO 2 ormado molk"CO
=3.32 molk"CO2 2# .C' .
k"CO 2 #.C'. =146.08 k"CO 2
(
44 k"CO 2 1 molk"CO2
)
24.08 k"CO
VAPOR DE AUA! H6*()$) (%*&$)$ 3( )(% $%6*& &'$% = 3( )(% $%6*& 96&))
Humedad eliminada T
98.7 k" −97.6 k"=1.1 k"
k" ' 2 Oe* c/)me*ea= k" ' 2 Oormado +/(medad el)m)*ada k" ' 2 Oe* c/)me*ea=3.09 x 18 k" ' 2 O + 1.1 k" ' 2 O k" ' Oe* c/)me*ea=55.62 k" ' O+ 1.1 k" ' O 2
2
2
k" ' Oe* c/)me*ea=56.72 k" ' O 2
2
k"mol' 2 Oe*c/)me*ea= 3.151 k"mol Tabla N° 5: C!"#$%$&n 'e l# (a#e# 'e %)$!enea C
n/mol g0
4y
N 2
2581
18Q21
O2
282
80
CO2
82
81
CO
08Q
28
' 2 O
8151
81
TOTAL
Q8150
100
II81818 B$%$&'( )( (&(,./$! Se cumple
Q total=Q(*d)do + Q pared+ Q "ae
C$%, 6$) 3$,$ (% 96&)) )(% $%6*&! Q (*d)do =m .C .∆T Maade al(m)*)o : m=98.7 k" Capac)dad calor))ca : C = 910 Q al(m)*)o=98.7 k" x 910 Q al(m)*)o=194363988 0
0 k"1 2
0 x ( 2453.15 −289.15 ) 2 k"1 2
Q al(m)*)o=194363,988 k0
C$%, 3(,)) 3, %$ 3$,()(! ;enemos de la ley de 6ourier /Uarco teórico %"("+0
Q=− A . k .
dT 3 Qdx =− A .k .∫ dT dx ∫
( e −0 ) Q=− A . k . ( T 2−T 1 ) e
Q=
− A . k . ( T 2−T 1) e
#atos
T 1 =2226.15 2
k =1.656
T 2 =1278.15 2
k0 m./r.2 2
Area pared =2.208 m Area pared = Area par ed 1
3
1
2
Area pared =2.216 m Area pared = Area pared 2
4
2
Area -ae=1.38 m2 epeor parede=0.1 m epeor -ae =0.5 m •
(
− 1.656 Q pared1= Q pared1= 34663.127
)
k0 ( 2.208 m2 ) ( 1278.15 −2226.15 ) 2 m./r.2 k0 =34663.127 /r 0.1 m
k0 x 0.75 / =25997.345 k0 /r
•
(
− 1.656 Q pared2= Q pared = 33218.83 2
)
k0 ( 2.216 m2) ( 1278.15 − 2226.15 ) 2 m./r.2 k0 =33218.83 /r 0.1 m
k0 x 0.75 / =24914.123 k0 /r
•
(
− 1.656 Q -ae = Q -ae = 4332.89
)
k0 ( 1.38 m2 ) ( 1278.15−2226.15 ) 2 m./r.2 k0 =4332.89 0.12 m /r
k0 x 0.75 /r =3249.67 k0 /r
Q perd)dade parede=Q pared 1+ Q pared 2 + Q pared3 + Q pared 4 +Q -ae Q perd)dade parede=( 25997.345 k0 x 2 )+ ( 24914.123 k0 x 2 ) +3249.67 k0 Q perd)dade parede=105072.61 k0
C$%, 3(,)) (& % .$( )( ';*(&($ M$,' +(:,' 18581081! PRODUCTO 8resi7n Tempera,ura
;H<
1 14&$%1
:ar =
#%4 4%3$ $%&
)O) )O H)<
$%11
O)
&1%&1
)
!"° P
RE#CT$%O
;H<4#$
8resi7n 1 Tempera,ur a 444*>1 comus,il e
##*22 41>$ $4>4
A, m =
O) ) B10-
A
3,3) ∆ hT.(%(,&-&
(,'(-
H)<
3,%*-
3,'-
%,'(
*,%)%
<)
),.)&
3,+3.
*,(*+
P*,))-
8)
)(,&.%
3,)&
*,(.3
*,*'
C<
*,&+
3,3-
*,((-
P*,*3%
C<)
BT
%,*'( =9515.878 k0 P%,%(Q#ae dec/)me*ea
H$%%$&) %$ (9'(&'$! Q TOTAL=Q ALUMINIO +Q PARED + Q#ASES Q TOTAL=308952.476 k0 *=
*=
D105
N
Q ALUMINIO x 100 QTOTAL 194363.988 k0 308952.450 k0
x 100 * =62.91
P$,$ '$%'6%$, %$ (&+,3/$ )(% ;,& )( 96&)':& 6+%G$*
∆ S=
Q ( T 1−T 2 ) T 1 T 2 ∆ S=
308952.450 k0 ( 2226.15 −1278.15 ) 2
( 2226.15 ) ( 1278.15 2 )
T
102.94
k0 2
RESULTADOS SegKn el balance de materia el cual nos indicó que ingresan .&"- g de aluminio y salen .-"+ g de aluminio fundido, as$ tambi2n realizamos el balance de energ$a y aplicando la primera y segunda ley de la termodinámica dándonos como calor total 3*&.()"'-+ , que está compuesto de calor de aluminio que nos dio un resultado de %.'3+3".&& más el calor de las paredes que nos resultó %*(*-)"+% y el calor de los gases que se obtuo un resultado de .(%("&-& y al determinar la eficiencia que resultó +)".%4 y su entrop$a fue %*)".'5"
DISCUSIÓN El horno de fundición FSan CristóbalG es de ladrillos y tierra refractaria, el cual es idóneo para las altas temperaturas en el proceso de fundición" >a p2rdida de calor es ineitable por la segunda ley de termodinámica, como consecuencia se tendrá una eficiencia menor al %**4 en este caso +)".%4 lo
cual es lógico, y una entrop$a de
102.94
k0 2 , tambi2n la producción de C<) y
C< es ineitable producto de la combustión completa e incompleta respectiamente lo cual trae como consecuencia la contaminación ambiental por emisión de estos gases" #ándonos a conocer que el aceite quemado no es apto para este uso, las diferentes formas de p2rdida de calor ya descritas y calculadas de igual forma son aceptables" >os hornos de fundición por inducción para aluminio ofrecen una tasa de eficiencia de +* a -(4, reducción de p2rdidas debido a o1idación, emisiones bajas, y permiten un mucho más alto grado de pureza y uniformidad en el
producto final" >a principal entaja de utilizar un horno de fundición por inducción para preparación es que la fuente de calor no entra en contacto directo con el aluminio" Este proceso tambi2n permite el mezclado cuando se deben de producir aleaciones de aluminio, porque el campo el2ctrico que pasa a tra2s del aluminio fundido en realidad agita el metal continuamente al estar siendo fundido"
CONCLUSIONES CONCLUSION ENERAL En este trabajo se logró aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica al horno de fundición S78 C9:S;<=7>D, por lo que se halló la cantidad de calor, su eficiencia y su entrop$a adecuado"
CONCLUSIONES SECUNDARIAS El horno de fundición san FSan CristóbalG tiene como caracter$stica el uso de ladrillos y tierra refractaria" Con los datos obtenidos del sistema /B, O0, realizamos el balance de materia y energ$a y la aplicación de la primera y segunda ley de la termodinámica" Se determinó que la eficiencia del horno de fundición es del +)".%4, esto debido a que el trabajo total efectuado por el horno en el proceso y el calor que durante este proceso se toma de la fuente de alta temperatura" Se determinó que la entrop$a del horno de fundición es de
102,94
k0 2 debido
a la cantidad de calor intercambiado entre el sistema y el medio diidido por su temperatura absoluta"
REFERENCIAS BIBLIOR?FICAS SMIT* +,M,- .AN NESS *,C,- ABBOTT M, M, Int/'u%%$&n a la Te/!'$n0!$%a en In(en$e/a Qu!$%a, S"t$!a E'$%$&n, E'$t, M%/a *$ll, M$%, 2667, 829 "0(#, *IMMELBLAU a;$' M, Balan%e 'e Mate/$a < Ene/(a, =/ent$%e *all *$#"ana!e/$%ana- 2666, L$b/ 'e +UAN
IN>UN>A
FISICA
'$#"n$ble
)tt":??l','(e,u'e%,%l?@uan$nuna?'%en%$a?$#$%a?%a"15,"'
PAINAS EB UTILIADAS!
en:
;++3!(%('+,;($+&)6'+&8'*8*96&)'&-)(-$%6*&-6+%G$&);,&-)(-&)6''&-&-&6'%( ;++3!'(,$*'$($$8%.3+8'*20120;,&-'(,$*'->'''&8;+*% ;++3!7778+('8'$+'.$,''(+$;+,$'';6,$8;+*8
ANEOS
