UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERA
Departamento de Ingeniera Mecnica
IJF/ijf.INGENIERIA DE EJECUCIN EN MECANICA
PLAN 2002GUIA DE LABORATORIO
ASIGNATURA15069 SISTEMAS TRMICOS E HIDRAULICOSNIVEL
07EXPERIENCIA E-970PODER CALORFICO
HORARIO: LUNES : 3-4-5-6
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERA
Departamento de Ingeniera Mecnica
IJF/ijf.TITULO:PODER CALORIFICO1.OBJETIVO GENERALEsta
experiencia tiene como objetivo principal, el permitir a los
alumnos la toma de contacto con la calorimetra, la cual est
relacionada, entre otros, con la determinacin de cantidades
energticas tales como entalpa, energa interna, calor especfico y
poder calorfico.
Para tales efectos, y como objetivo Terminal, se determinar
experimentalmente, el poder calorfico de combustibles gaseosos y
slidos.Objetivos especficos
Los objetivos especficos que se pretende alcanzar a travs de
esta experiencia son:
Visualizar y aplicar los conceptos de Poder Calorfico superior e
inferior y su estandarizacin.Conocer las formas y medios para
determinar el poder calorfico de combustibles gaseosos, lquidos y
slidos.Determinar, experimentalmente, el poder calorfico de
combustibles gaseosos, mediante el Calormetro Junkers, de flujo
continuo.Determinar, experimentalmente, el poder calorfico de un
combustible slido, por medio de un Calormetro PARR, a volumen
constante.Introduccin terica
Durante un proceso de combustin la energa qumica de un
combustible es transformada en energa molecular cintica o potencial
de los productos.
El trmino ms comn relativo a la energa asociada con la
combustin, es la mxima cantidad de calor que puede obtenerse de los
productos de la combustin completa, si esos productos se enfran a
la temperatura original de la mezcla de aire y combustible.
En el proceso de enfriamiento de los productos se condensa
cierta cantidad de vapor de agua (ya que la mayora de los
combustibles contienen hidrgeno), segn las condiciones en que se
realice. Dado que esta condensacin libera cierta cantidad de calor,
el valor calorfico de un combustible vara entre un valor mnimo,
cuando no hay condensacin del vapor de agua, y un mximo cuando es
completa.
Podemos definir lo que es Poder Calorfico de un combustible
como:
La cantidad de calor producida, o generada, por la combustin
completa de la unidad de combustible en cuestin, suponiendo que los
productos de la combustin se enfran hasta la temperatura
inicial.
El poder calorfico (N) se expresa, por lo tanto, en las
siguientes unidades: Combustibles slidos y lquido en Cal/kg de
combustible y para combustibles gaseosos en Cal/m3.
Podemos distinguir:
Poder Calorfico Superior
Se define como la cantidad de calor generado por la combustin
completa de la unidad de volumen o masa del combustible,
considerando en condiciones estndar, es decir:
Temperatura del combustible y del aire
=25C
Presin
=760 mm Hg.
y cuando en los productos de la combustin se encuentra agua en
estado lquido.
Poder Calorfico Inferior
Es la cantidad de calor generado en las mismas condiciones
anteriores, pero ahora el agua formada en la reaccin se encuentra
en estado gaseoso.
Poder Calorfico Observado
En el determinado experimentalmente en un calormetro, y puede
ser expresado por las siguientes expresiones, en funcin de los
datos obtenidos:
Combustibles Gaseosos
En que:
N=Poder calorfico observado.
ma=Masa de agua de refrigeracin, recolectada del calormetro.
t=Diferencia de temperatura del agua de refrigeracin, entre la
entrada y la salida del calormetro.
G=Volumen del combustible quemado.
cp=Calor especfico del agua de refrigeracin.
Puesto que, en el ensayo, los productos de combustin se enfran
hasta la temperatura ambiente, el agua contenida en ellos se
encuentra en estado lquido y, por lo tanto, el poder calorfico
observado es el superior, es decir:
N = Ns
Para encontrar el poder calorfico inferior habra que restarle al
poder calorfico superior, el calor de vaporizacin del condensado
recolectado del calormetro.
Ni = Ns - X
Donde: X = Cv = Calor de vaporizacin, el que se obtiene de la
expresin:
y donde:
mac=Masa de condensado, recolectado del calormetro.
hfg=Entalpa de vaporizacin del condensado.
G=Masa total de combustible quemado.
Como el poder calorfico de un gas depende de la temperatura y
presin q que se realiza el proceso y, por definicin de N, estas son
25 C y 760 mm Hg., se hace necesario estandarizar los poderes
calorficos obtenidos. Para ello los Ns y Ni deben ser afectados por
un factor F de reduccin. De tal manera:
El valor de F, se determina:
y donde:
Pl=Presin absoluta del gas combustible, seco.
Po=Presin absoluta de estandarizacin.
Tl=Temperatura absoluta del gas combustible.
To=Temperatura absoluta de estandarizacin.
Combustibles slidos
Donde:
Ns=Poder calorfico superior.
E=Constante o capacidad calrica del calormetro.
t=Incremento de temperatura del agua de refrigeracin.
A=Calor, total, aportado por el alambre fusible.
mc=Masa de combustible.
Segn sea el tipo de combustible empleado y debido a las
variaciones de temperatura durante el ensayo, cuando se usa el
calormetro isotrmico, se tendr que corregir el t, segn:
Donde:
tic=Temperatura inicial corregida.
tfc=Temperatura final corregida.
Formas y medios para determinar el Poder Calorfico.
Tericamente
Por medio de la llamada Entalpia de Formacin () y que se define
como la cantidad de energa necesaria para formar un compuesto, a
partir de sus elementos constitutivos. Se considera que la formacin
ocurre a 25C y 7620 mm Hg.
Los valores de aparecen en la tabla 12.3 (Cap. 12) y Tablas A.11
(Apndice) del libro fundamentos de Termodinmica de G. J. Van
Wylen.
Empricamente
A travs de algunas expresiones que considerar la composicin del
combustible.
Una expresin muy conocida, es la frmula de DULONG, que permite
determinar la potencia calorfica de un combustible (carbn) basada
en las proporciones, en peso, del carbono total, hidrgeno til y
azufre:
Kcal/kg = 8.148 C + 34.720 (H-O/8) + 2.268 S
En donde: C, H, O y S son, respectivamente, los pesos de
carbono, hidrgeno, oxgeno y azufre, por kilogramo de
combustible.
Esta frmula da un valor aproximado del poder calorfico superior
de un combustible y existe una gran concordancia con los valores
obtenidos por medio de un calormetro.
Se puede calcular, aproximadamente, el poder calorfico de los
combustibles derivados del petrleo, partiendo de la densidad del
mismo, referida a 15 C. Esto se funda en que cuanto menor es la
densidad del combustible lquido, mayor es la proporcin de hidrgeno
y viceversa.Experimentalmente
Por medio de calormetros, para combustibles slidos, lquidos y
gaseosos.
Cmo medir?: Transfiriendo la energa calrica que genera el
combustible, a otro elemento (agua, alcohol, aceite, etc.).
Aprovechando la variacin de sus propiedades, principalmente, la
Temperatura, ha sido ms cmodo y general, usar agua, como elemento
que recibe el calor generado. Por tal razn, en todos los
calormetros, se debe medir el t.
As, tenemos:
a) Calormetros para combustibles slidos y lquidos
Se utiliza la llamada bomba calorimtrica, cuando se quema
combustible.
Existen varios tipos de bombas calorimtricas tales como la
Atwater, Davis, emerson, Mahler, Parr, Peters y Williams. Una de
estas bombas, el calormetro no adiabtico de Emerson, est ilustrada
en la figura 1.
Figura 1.
El combustible, cuyo valor calorfico se desea determinar, se
coloca en un crisol. La bomba carga con oxgeno a presin. Cuando
pasa una corriente elctrica por el alambre, el combustible se
enciende. La bomba est rodeada por una camisa de agua a fin de
absorber el calor desarrollado por la combustin. La bomba tiene
tanbin una camisa exterior y un espacio de aire alrededor del
recipiente, o camisa de agua central, para minimizar las prdidas de
calor al ambiente. Aunque el agua del recipiente interior absorbe
la mayor porcin del calor, este calor no es el valor calorfico del
combustible, por las siguientes razones:
La bomba en s absorbe cierto calor.
Hay intercambio de calor con la camisa externa.
EL alambre de ignicin libera cierta energa.
Los productos de la combustin no se enfran a la temperatura
original.
Debido a que la combustin se produce en oxgeno, se alcanza alta
temperaturas, lo que resulta en la formacin de cidos ntrico y
sulfrico.
Por tales razones, se hace necesario efectuar varias
correcciones: por radiacin, por cidos, etc.
El calormetro PARR, de camisa isotrmica y bomba de doble vlvula,
que se ilustra en las figuras siguientes, funciona tal como la
bomba de Emerson y es la que ser usada en esta experiencia.
Figura 2.
Figura 3.
Montaje del calormetro
Figura 7. Vista de los componentes del calormetro PARR, de bomba
de oxgeno, Modelo C, con camisa isotrmica de Baquelota y bomba de
Illium, de vlvula sencilla.
Figura 8. Bomba calorimtrica de doble vlvula.
b) Calormetro de combustibles gaseosos y lquidos
El valor calorfico de los combustibles gaseosos y lquidos se
determina por medio de un calormetro de gas, el cual es del tipo de
flujo continuo.
El procedimiento es el mismo, sea cuando se trate de combustible
gaseoso y lquido, diferencindose solamente en la forma como se
realiza la combustin.
Para el caso del gas, se usa un quemador Bunsen y para los
lquidos, un quemador especial con una balanza para masar el
combustible quemado.
A continuacin se describe, esquemticamente, el calormetro
Junkers y funcionamiento:
El combustible gaseoso, en estudio, se quema dentro del
calormetro de tal forma que transfiera calor al agua de
enfriamiento o refrigeracin. El gasto de agua mide, utilizando
tcnicas de pesaje, y las temperaturas a la entrada y a la salida
del dispositivo se determinan con termmetros de mercurio de
precisin, como se muestra.
Los productos de la combustin se enfran a temperatura lo
suficientemente baja como para que se condense el vapor de agua. A
continuacin, el condensado se recoge en un frasco graduado como se
muestra y, por otro lado, el gasto de gas se mide con un medidor
flujo por desplazamiento positivo.
Figura 9. Figura esquemtica del calormetro de flujo de
Junkers.
Procedimiento
Determinacin del poder calorfico de combustibles slidos.
a) Masar 1 gr. De carbn finamente pulverizado, colocado dentro
de un crisol adecuado.
b) Cortar 10 cm. De alambre fusible PARR e instalar entre los
electrodos de la bomba (segn esquema en anexos).
c) Instalar crisol con carbn en los soportes de la bomba (ver
figura 6). EL alambre fusible debe penetrar la superficie del
combustible.
d) Instalar la tapa de la bomba, ya preparada, segn indicado en
b y c. Colocar tuerca y apretar a mano.
e) Cargar la bomba con oxgeno a una presin de 25 atm.
f) Colocar 2.000 cc de agua destilada (en lo posible) en el
recipiente ovalado.
g) Instalar la bomba cargada, dentro del recipiente con agua y
todo el conjunto, colocar en el interior de la camisa
isotrmica.
h) Conectar el sistema de encendido a los bornes de la
bomba.
i) Tapar el calormetro e instalar el termmetro y la polea de
accionamiento del agitador con el motor respectivo.
j) Controlar la temperatura del agua, con el agitador
funcionando, hasta establecer el equilibrio. Luego, controlar cada
minuto, durante 5 minutos.
k) Proceder al encendido y posterior combustin de la carga,
observando la temperatura, hasta alcanzar el valor mximo, segn
procedimiento indicado en anexos.
l) Detener el motor del agitador, retirar la tapa del calormetro
y extraer la bomba.
m) Abrir la vlvula de escape de gases y destapar la bomba.
n) Comprobar: combustin completa, existencia de residuos,
condensado y formacin de cidos.
o) Efectuar la correccin por radiacin (ver anexos).
Determinacin del poder calorfico de combustibles gaseosos
a) Hacer circular agua en el calormetro.
b) Abrir la llave de paso de gas, encender mechero Bunsen y
regulas la presin manomtrica a 40 mm (+) de agua.
c) Regular llama en el mechero e introducirlo en el
calormetro.
d) Regular flujo de agua de refrigeracin, para un incremento de
10 1 C, entre la temperatura de entrada y de salida.
e) Estabilizar el sistema, hasta el inicio de la condensacin en
el escape.
f) Iniciar el proceso de medicin cuando la aguja del medidor
llega a cero, realizando simultneamente las siguientes
operaciones:
Girar llave de dos pass para recibir el agua de refrigeracin, en
el recipiente recolector (previamente masado).
Colocar probeta graduada, para recibir el condensado.
Leer la temperatura de entrada del agua de refrigeracin.
g) Continuar, alternadamente, las lecturas de las temperaturas
de entrada y salida , cada 0,5 litros de gas, hasta completar 10
litros.
h) Cuando el medidor indique 10 litros e gas actuar,
simultneamente, cortando el paso del agua al recolector y retirar
la probeta graduada que recibe el condensado.
i) Registrar: presin manomtrica y temperatura del gas
combustible, presin baromtrica y temperatura ambiental, temperatura
de los gases de escape.
j) Masar agua de refrigeracin recolectada y condensado.
Clculos
Clculos con datos del calormetro de Junkers
a) Promediar temperaturas de entrada y salida; corregir errores
de calibracin.
b) Calcular los poderes calorficos de Ns, Ni y estandarizarlos,
segn procedimiento indicado en 3.3.1.
Clculos de datos del calormetro PARR
a) Efectuar correccin por radiacin y determinar el t
corregido.
b) Calcular el poder calorfico Ns, segn expresin dada en
3.3.2.
Bibliografa
Dootittle J. S., El laboratorio del ingeniero mecnico,Mc
Graw-Hill Bock Company, New York, 1957. Edic. en castellano por
Editorial Hispano Americana S.A., Buenos Aires, Argentina,
1971.
J. P. Colman, Mtodos experimentales para ingenieros, Libros Mc
Graw-Hill de Mxico S.A., de C. V., 1997.
Gordon j. Van Wylen, Fundamentos de termodinmica bsica,
Editorial Limusa S.A., 1973.
A
E
D
C
F
G
B
I
H
J
A = Caja aisladora
B = Vasija del agua (Cap. 2 lts)
C = Bomba (otro tipo de casa PARR)
D = Borne positivo
E = Borne negativo
F = Fijadores de posicin de B
G = Hlice para agitacin del agua
H = Termmetro
I = Lente de aumento
J = Porta termmetro
Corte de la tapa de la bomba
A = Entrada de oxgeno
B = Salida de gases
C = Terminal de masa
D = Tuerca
E = Cuerpo
F = Anillo de caucho
A = Temperatura de entrada del agua
B = Temperatura de salida del agua
C = Entrada del agua
D = Agua de rebalse
E = Agua de rebalse
F = Recipiente recolector del agua
G = Regulador de gasto de agua (regul. temperatura)
H = Termmetro a la salida de los productos.
I = Gas combustible.
J = Mechero Bunsen
K = Bureta graduada para recibir el condensado.
L = Condensado.
PAGE 12
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