Laboratorio 2 de termodinámica DETERMINACIÓN DEL PODER

CALORÍFICO DE COMBUSTIBLES

Angel Castro Acuña 15/04/2015

Introducción

Durante un proceso de combustión la energía química de un combustible es transformada en energía molecular cinética o potencial de los productos.

El término más común relativo a la energía asociada con la combustión, 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 es posible obtener el poder calorífico.

¿Qué es esto? es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación.

También se puede comprender más fácilmente como: “La cantidad de calor producida, o generada, por la combustión completa de la unidad de combustible en cuestión, suponiendo que los productos de la combustión se enfrían hasta la temperatura inicial”

Objetivos OBJETIVO GENERAL

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

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Los objetivos específicos que se pretende alcanzar, a través de esta experiencia son:

• Conocer las formas y medios para determinar los poderes caloríficos de combustibles gaseosos, líquidos y sólidos.

• Determinar, experimentalmente, el poder calorífico de un combustible sólido, por medio de un Calorímetro PARR, a volumen constante.

Marco teóricoEl poder calorífico (N) se expresa, por lo tanto, en las siguientes unidades: combustibles sólidos y líquidos cal/kg de combustible y para combustibles gaseoso en cal/m3. Esta se separa en dos tipos:

Poder Calorífico Superior (PCS): Se define como la cantidad de calor generado por la combustión completa de la unidad de volumen o de masa del combustible, considerado en condiciones estándar, es decir:

o

• Temperatura del combustible y del aire = 25 C

• Presión = 760 mm Hg

• Cuando en los productos de la combustión se encuentra agua en estado líquido.

Poder Calorífico Inferior (PCI): Es la cantidad de calor generado en las mismas condiciones anteriores, pero ahora el agua formada en la reacción se encuentra en estado gaseoso.

Descripción de instrumentos Se ocuparon los siguientes instrumentos en este laboratorio:

• 1 calorímetro de bomba PARR con sistema de ignición: se usa para determinar el Poder Calorífico de un Combustible cuando se quema a volumen constante.

• 2.74 gr de combustible de papas fritas

• 10 cm de alambre fusible PARR (E= 2400 cal/oC; A= 2,3 cal/cm): este se calentara por electricidad y se fundirá. El cual genera una llama que enciende el combustible • 1 crisol o depósito: Vaso que contiene el combustible. Este se coloca en la tapa de la bomba (calorímetro PARR)

• 1 termómetro o termocupla

• 2 litros de agua destilada

• 1 tanque de oxígeno con regulador de presión

• 1 balanza digital

• 1 cronómetro

Metodología

Acá describiremos la metodología usada en este laboratorio tanto para la instalación y como se hizo todo el procedimiento para hacer el experimento como para la obtención de resultados. Cabe destacar que el procedimiento fue efectuado por el profesor ya que requería de mucha precisión y así se evitaban riesgos.

Para la determinación del poder calorífico de combustibles sólidos se efectuó el siguiente procedimiento:

• Se molió 2.74 gr de papas fritas y se colocó en el crisol. • Se colocó 10 cm de mecha (alambre fusible) y se conectó entre los

electrodos de la bomba. • Se instala el crisol con el combustible en los soportes de la bomba.

• Se cierra la tapa de la bomba. Colocando una tuerca y apretando a mano. • Con mucha precaución se cargó la bomba con oxígeno puro a una presión

de 25 atmósferas para enriquecer el sistema. • En un recipiente se colocan 2 litros de agua destilada. • La bomba se ingresa dentro del recipiente con agua quedando

completamente sumergido asegurándose que no se escapa gas.

• Se conecta el sistema de encendido a los bornes de la bomba. • Se tapa el calorímetro y se pone un termómetro junto a un agitador para el

agua

• Se controla la temperatura del agua, con el agitador funcionando hasta

establecer el equilibrio. • Se inicia el proceso, tomando el tiempo con cronómetro y midiendo la

temperatura del agua, con el agitador funcionando, cada minuto, durante 5 minutos.

• Al minuto 5 se presionó el botón de encendido (el que debe mantenerse presionado hasta cuando la luz piloto respectiva se apague sola, indicando que se ha iniciado la combustión, debido a que se fundió el alambre fusible). Se mide la temperatura durante 1 minuto.

• A partir del minuto 6 se mide cada 15 segundos, hasta el minuto 7. • Desde el minuto 7 se continúa la medición de temperatura cada 1 minuto,

hasta alcanzar la temperatura máxima (correspondiente al minutos 11). • Una vez que se alcanza esta temperatura máxima, se siguió midiendo 5 minutos más en el cual la temperatura disminuyo. • Ya teniendo todas las mediciones se detuvo el motor del agitador y se

desarmo el sistema.

• Se abrió la válvula de escape de gases de la bomba de tal forma que el oxígeno escapo lentamente (como una olla a presión). Luego se destapo la bomba.

• Se miró que no existiera estos de residuos, condensado y formación de ácidos (combustión completa).

• Se Secó y limpio el calorímetro.

Para el proceso de resultados correspondiente a sacar el poder calorífico se utilizó una seguidilla de fórmulas para obtener todas las incógnitas. Estas se trataran en los resultados para una mayor comprensión de las mismas.

Para obtener el poder calorífico se utilizó la siguiente ecuación

Donde:

N: Poder calorífico superior (cal/gr) o

E: Constante o capacidad calórica del calorímetro (cal/ C) A: Calor total aportado por el alambre fusible (cal/cm) mc: Masa de combustible (gr)

Según sea el tipo de combustible empleado y debido a las variaciones de temperatura durante el ensayo, cuando se usa el calorímetro isotérmico, se tendrá que corregir el ΔT, el cual corresponde a la variación de temperatura entre la inicial y la máxima.

Para la corrección de temperatura se ocuparon las siguientes formulas.

Transición del período: se realiza cuando el aumento de la temperatura ha alcanzado el 60% del aumento total

Tr = 𝑇𝑖 + ( Tmax − 𝑇𝑖) × 0.6

Tr: Temperatura de transición

TMax: Temperatura máxima alcanzada (sin corregir) Ti:

Temperatura inicial (sin corregir) o de ignición.

(b) tiempo correspondiente a la temperatura de transición:

Donde, t1 corresponde al tiempo de la temperatura T1 estos correspondientes a la

tabla de resultados que veremos más adelante.

Verdadera temperatura inicial (temperatura inicial corregida, Tic):

La temperatura máxima corregida tendrá esta fórmula.

Donde a y c será sacado del gráfico.

Finalmente se saca la diferencia de temperatura real ∆𝑇 = 𝑇𝑚𝑎𝑥𝑐 − 𝑇𝑖𝑐

Esta será reemplazada en la fórmula original y se obtendrá el poder calorífico.

Presentación de datos y resultados

Los datos arrojados por la bomba que nos ayudaron a sacar los cálculos para el poder calorífico fueron los siguientes.

Tiempo (minutos) Temperatura (Celsius) Anotaciones 0 17.7 Tiempo en que se estabiliza

el sistema 1 17.7 2 17.7 3 17.8 4 17.7 5 17.7 Momento en que se quema

el combustible Ti (a) 6 21.3 6:15 21.9 (b) T1 posible ubicación de

Tr 6:30 22.5 T2 posible ubicación de Tr 6:45 23.1 7 23.5 8 24.2 9 24.4 10 24.5 11 24.5 Máxima temperatura

esperada Tmax (c) 12 24.4 Posible disminución de

temperatura 13 24.4 14 24.4 15 24.4 16 24.4 T3

Veremos cómo quedan en un gráfico ya que en este se podrá apreciar el cambio de temperatura y las respectivas incógnitas de las fórmulas pero de una forma mucho más clara y así se entiendan mejor estos datos.

Ahora que ya se entendieron bien los datos del experimento tanto en la tabla como en el grafico procederemos a ver los cálculos del poder calorífico. Recordar que la fórmula de poder calorífico era

Pero para sacar la diferencia de temperatura se tenían que corregir estas mismas mediante los procedimientos que vimos en la metodología. Los cálculos de estas resultó lo siguiente.

Primero se sacó la temperatura de transición Tr = 17.7 + ( 24.5 − 17.7) × 0.6

El cual dio 21.78, luego se procedió a sacar b que es el tiempo de Tr.

GRAFICO DE TEMPERATURAS VS TIEMPO

TÍTULO DEL EJE

TÍTULO DEL EJE

1615141312111098745,6, 3615,66543210

30

25

20

15

10

5

0

esperado (c)max 24 5,; 11

)b(9,21; 6,15temperatura (a)

Estabilizacion de 7,17; 5

Acá b dio de resultado 6.2. Con esto ya se pudo calcular la temperatura máxima e inicial corregida.

Estas resultaron 24.596 y 16.692. Maxc y Ic respectivamente. Y ahora sí se pudo calcular la diferencia de T. ∆𝑇 = 24.596 − 16.692

La diferencia dio 7.904 y esta se reemplazó en la ecuación original.

Con todo esto el poder calorífico resulto finalmente 9921(cal/gr)

Discusión de resultados

La verdad este resultado que dio en un principio no se supo si era el esperado debido a que no se conocía bien el termino poder calorífico tanto como de que se trataba o como se calculaba.

Debido a esto se investigó sobre esto y de acuerdo a esta pequeña investigación se comprendió que para sacar un resultado correcto se requerían de dos cosas importantes, una es que había que corregir las diferencias de temperatura y la otra es que la humedad del ambiente se le restaba a la masa final.

Con estos conocimientos se podría decir que el resultado esperado esta en lo correcto ya que en un principio se tenía 14467.2 cal y el poder calorífico resulto

9921 cal lo cual es coherente a lo que se podía esperar.

Conclusión

Con todo lo que hemos visto se pueden sacar las siguientes conclusiones de esta experiencia.

Las formas de medir el poder calorífico tienen que tener un equipamiento adecuado, al igual que una persona que sepa ocupar este ya que requiere de bastante precisión para que salga todo bien.

Segundo se aprendió que era el poder calorífico que es la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación. Esto ya sea de una papa frita como este caso o de cualquier cuerpo que se pueda medir.

Y finalmente, que el cálculo de esta misma requiere tener ciertos conocimientos y hacer un claro análisis de los datos obtenidos en las mediciones para poder llegar a un resultado correcto.

Para concluir, el laboratorio requirió de mucha atención ya que se utilizaban muchos instrumentos y se ocuparon bastantes conceptos que no se conocían. Esto fue lo que nos dejó precisamente este laboratorio ya que nos dio todas herramientas para poder hacer lo que se pide.