EXPERIENCIA DE LABORATORIO N° 2
INTRODUCCIÓN
En la actualidad los combustibles fósiles constituyen la principal fuente de energía primaria para la industria. Durante el proceso de combustión la energía química del combustible es transformada en energía molecular cinética o potencial de los productos.
Los productos pueden producir trabajo directo o indirectamente, o actuar como almacenes de calor. El término relativo a la energía, más común, asociado con la combustión es el Valor Calorífico o Poder Calorífico.
OBJETIVOS
Cuadro N° 1. Objetivos
Fuente: Elaboración propia.
FUNDAMENTO TEÓRICO
El Poder Calorífico de un combustible es la cantidad de calor que se puede obtenerse de un combustible cuando se quema en forma completa y sus productos son enfriados hasta la temperatura original de la mezcla aire– combustible. [Kcal/kg], [Kcal / m 3].
Figura N° 1. Poder Calorífico de un combustible
Fuente: Elaboración propia
Poder Calorífico Superior (PCS): Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa del combustible, cuando el vapor de agua originado en la combustión está completamente condensado.
Poder Calorífico Inferior (PCI): Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa del combustible, cuando toda el agua en los productos permanece como vapor.
Unidades: [ Kcal/kg], [Kcal/m3]. : [ BTU/lb], [BTU/ft3] La diferencia entre el PCS y el PCI está dado por:
PCS – PCI = Calor latente del vapor de agua. [1] de combustión a la temperatura de la mezcla original de aire-combustible.
Cada combustible tiene un Poder Calorífico característico, tal como se muestra en el cuadro siguiente.
Cuadro N° 2. Poder Calorífico de diferentes combustibles fósiles
Fuente:
Los valores del Poder Calorífico pueden cambiar dependiendo de diversos factores, como el lugar de origen del combustible, la materia prima usada para obtenerlas, el proceso utilizado para su obtención, entre otros.
Debido a esto, son muy importantes las mediciones del Poder Calorífico de los combustibles, para lo cual puede usarse un equipo conocido como Bomba Calorimétrica.
BOMBA CALORIMÉTRICA
La llamada bomba calorimétrica se utiliza para determinar el Poder Calorífico de un combustible cuando se quema a volumen constante.
Hay varios tipos de bombas calorimétricas, tales como: La de Atwater, Davis; Emerson, Mahler, Parr, Peters y Williams. Una de estas bombas, el calorímetro no adiabático de Emerson, se muestra en la figura siguiente.
Figura N° 2. Bomba Calorimétrica no adiabática de Emerson.
Fuente: Jesse Seymour
Una determinada cantidad de combustible (1 cm 3), cuyo Poder Calorífico (PCS) se desea determinar, se coloca en el crisol para combustible (Si el combustible es sólido, deberá colocarse en forma de pastilla) dentro de la bomba. En este crisol se introduce una bobina de alambre fino. La bomba se carga con oxígeno a presión. Cuando pasa una corriente eléctrica por el alambre, el combustible se enciende. La bomba está rodeada por una camisa de agua a fin de absorber el calor desarrollado por la combustión.
La bomba también tiene una camisa exterior y un espacio de aire alrededor del recipiente o camisa de agua central para minimizar las pérdidas de calor al ambiente. Aunque el agua del recipiente interior absorbe la mayor cantidad de calor, este calor no es el valor calorífico del combustible, por las siguientes razones:
La bomba en sí absorbe cierto calor.
Hay intercambio de calor con la camisa externa.
El alambre de ignición libera cierta energía
El calor liberado por el alambre de ignición. El valor calorífico del alambre de hierro es de 1600 cal por gramo. Para trabajos de poca precisión es suficiente utilizar 10 cal.
Los productos de combustión no se enfrían a la temperatura original.
Debido a que la combustión se produce en presencia de oxígeno, se alcanza altas temperaturas, lo que resulta en la:
Formación de ácido nítrico, 230 cal/g. Para trabajos de poca precisión es suficiente utilizar 10 cal.
Formación de ácido sulfúrico en lugar del anhídrido sulfúrico, es de 1300 cal/g de azufre originalmente presente en la muestra, los que no se producirían en el proceso de combustión normal.
El error que se comete está cerca del 1 por ciento. Además el error se compensa casi totalmente cuando se "normaliza" la bomba. El "equivalente de agua" de la bomba es un dato suministrado por el fabricante. Es la cantidad de agua que tiene la misma capacidad térmica que la bomba y su recipiente o camisa interior (vacío). Cuando se duda de este valor, la bomba ha de ser normalizada. Esto puede hacerse quemando en ella un combustible de valor calorífico conocido. El National Bureau of Standards provee un compuesto de valor calorífico certificado.
Hay que usar un termómetro especial para calorímetros. El termómetro ASTM designado por 56F-49T tienen un alcance de 66 [°F] a 95 [°F] (19 a 35 [°C]), con subdivisiones de 0,005 [°F]. Se utiliza una lente de aumento para llevar la precisión de la lectura a 0,001 [°F].
La combustión del combustible nos da un calor Q.
donde: Tmáx es la temperatura máxima alcanzada por el agua.
Te es la temperatura a la cual se ha encendido el combustible
P2 y P1 son factores de corrección.
P2 = 0,5 R2 x t2, P1 = 0,5 R1 x t1;
R1: Régimen de aumento de la temperatura por minuto antes del encendido, [°C/min ].
Hay que registrar la temperatura del agua cada minuto durante cinco
(05) minutos antes del encendido. Cada 30 segundos a partir del momento de encendido hasta alcanzar la temperatura máxima, y se continua midiendo cada minuto durante cinco (05) minutos.
R2: Régimen de disminución de temperatura después de la temperatura máxima, [°C/min].
t1: Tiempo transcurrido desde el momento del encendido hasta alcanzar la temperatura ambiente, [min].
t2: Tiempo transcurrido desde la temperatura máxima a temperatura ambiente, [min]. .
Al valor del PC obtenido de la ecuaión [6], hay que agregarle las correcciones por el calor liberado por el fusible (aproximadamente 1600 [cal/g]) o 10 cal; por la formación de ácido nítrico (230 [cal/g] de ácido nítrico) en trabajos de menor precisión considerar 10 [cal]; por formación de ácido sulfúrico (1300 [cal/g] de azufre presente en la muestra).:
ENSAYO:
Fecha: 25 de Julio del 2014
Integrantes:
Condiciones ambientales:
Presión: [kPa]
Temperatura: [°C] Bulbo seco [°C] Bulbo húmedo
Humedad: [%]
A volumen constante
Figura N° 2. Bomba Calorimétrica no adiabática de Emerson.
Fuente: Jesse Seymour
PROCEDIMIENTO
Pesar el recipiente interior del calorímetro vacío. Poner 1900 g de agua, con una temperatura de unos 3 [°F], aprox. 2 [°C] por debajo de la temperatura de la camisa externa. Se supone que el agua de la camisa está a temperatura ambiente.
Una cantidad de combustible 1 [cm 3] se coloca en el crisol. Elegir una longitud adecuada de un alambre de hierro puro y de aproximadamente 0,25 mm de diámetro, pesarlo e instalarlo a modo de bobina. Esta bobina debe tocar el líquido, pero no el crisol.
Se satura el espacio con unas cuantas gotas (alrededor de 0,5 ml) de agua al fondo de la bomba para saturar el espacio. Esto causará la condensación completa del vapor de combustión, de modo que se obtendrá el Poder Calorífico Superior.
Armar la bomba con cuidado para no derramar el combustible fuera del crisol por sacudir o golpear la bomba.
Cargue la bomba con oxígeno a una presión de aproximadamente 20 kg/cm 2; y sumerja la bomba en agua para ver que no haya fugas. Coloque la bomba en el recipiente interior. Instale el termómetro y el agitador. El termómetro debe de estar sumergido por lo menos 75 mm en el agua y a no menos de 12 mm de la bomba.
Ponga en marcha el agitador. Deje transcurrir de 3 a 4 minutos para que se uniformice la temperatura del agua en el recipiente y tome lecturas de temperatura cada minuto durante cinco minutos. Estas lecturas se utilizan para calcular la pérdida de calor a la camisa externa.
El combustible se enciende al hacer circular corriente eléctrica por el alambre y por estar la bomba llena de oxígeno 300 [psig].
Registre la temperatura cada 30 segundos hasta que se alcance la temperatura máxima. El observador del termómetro debe estar muy alerta, porque el aumento de temperatura es muy grande inmediatamente después del encendido.
Una vez alcanzada la máxima temperatura, se continuará tomando lecturas cada minuto durante cinco minutos. Estas temperaturas se necesitan para calcular la pérdida de calor a la camisa externa.
Saque la bomba del calorímetro, suelte los gses y desarme la bomba. Junte y pee el alambre del fusible que queda.
El calor desprendido del sistema a volumen constante es enfriado a su temperatura original y usando factores de corrección para condiciones de temperatura de 25 [°C], se btiene el Poder Calorífico:
Pesar los restos del alambre de ignición. Limpiar la bomba y repetir el ensayo. Si los resultados del segundo ensayo difieren en mas de1 por ciento con os del primer ensayo, será necesario hacer uno o más ensayos ulteriores. El producto del peso del agua por el aumento verdadero de temperatura del agua dividido por el peso de la muestra de combustible debe coincidir con el mismo valor, muy aproximadamente, en todos los ensayos.
DATOS
Figura N° 3. Registro de Temperaturas y tiempo
Fuente: Elaboración propia
Tabla N°1. Datos
Las correcciones a introducir:
por el calor liberado por el fusible (aproximadamente 1600 [cal/g]) o 10 cal;
por la formación de ácido nítrico (230 [cal/g] de ácido nítrico) en trabajos de menor precisión considerar 10 [cal];
por formación de ácido sulfúrico (1300 [cal/g] de azufre presente en la muestra).
Cálculo del Poder Calorífico Superior: PCS = [cal/g]
RESULTADOS
Capacidad térmica de absorción de la bomba calorimétrica:
K = [Cal/°C]. Fabricante.
K = [Cal/°C]. Obtenido de "normalizar" calorimétrica. la bomba
Poder Calorífico Superior del combustible: PCS = [Kcal/kg]
MATERIAL DE REFERENCIA
Seymour Doolitle. El Laboratorio del Ingeniero Mecánico. Editorial Hispano Americana S.A. Buenos Aires 1971
Manual del Laboratorio de Ingeniería Mecánica.
Manual del Ingeniero Mecánico
ASME Power Test Codes, Supplements on Instruments and Apparatus; part 9, Heat of Combustion, 1943.
Refineria La Pampilla. Doc: GSTC-F_GLP; del 25 de Mayo del 2006.
OSINERG. Segmentos del mercado y precios del Gas Natural.
OSINERGMIN. Propiedades del GLP.
ANEXOS
ANEXO 1: Poder Calorífico de los combustibles gaseosos, líquidos y sólidos
ANEXO 2: Propiedades de varios gases ideales. ANEXO 3: Composición del Gas Natural de Camisea ANEXO 4: Calor necesario para producir 1 MMBTU. ANEXO 5: Tarifa del mercado de Gas Natural ANEXO 6: Gases Licuados del Petróleo
ANEXO 7: Ahorre con el gas natural. Calidda.
ANEXO 8: Refinería La Pampilla. Propiedades Físicas y Químicas del GLP.
ANEXO 9: Osinergmin. Propiedades del GLP.
ANEXO 10: Algunas equivalencias.
Autor:
Jorge Favio Sifuentes Sancho
Julio – 2014