Universidad de La Serena

Facultad de Ingeniera

Departamento de Ingeniera Mecnica

Laboratorio de Termo-Fluidos

Profesor Ing. Luis Gatica.

Poder Calorfico de los combustibles.

Alumnos: Jean Paul dAlencon

Nicols Gonzlez Manuel Walton

Abril 2014

Resumen

La siguiente experiencia tuvo como objetivo la determinacin experimental del poder

calorfico del disel ocupando un calormetro y algunos implementos como Nicrom y agua

desmineralizada. Se calibro ocupando como combustible acido benzoico realizando

mediciones de temperatura en cada intervalo de tiempo definido. Luego de haber realizado

la experiencia con cido benzoico, se procedi a la utilizacin de disel como combustible

para la determinacin del poder calorfico, registrando nuevamente temperaturas, longitud

de cable y volumen de disel. En forma analtica se procedi al clculo de la constante K

del balance de energa, para finalmente calcular el poder calorfico del disel. El resultado

del poder calorfico del disel obtenido no difiere al poder calorfico encontrado en la web,

la diferencia encontrada es aproximadamente un 5%, debido principalmente a las

condiciones de trabajo y composicin general del combustible.

2.-Planteamiento del Problema

2.1.- Introduccin

El poder calorfico es la cantidad de energa que la unidad de masa de materia puede

desprender al producirse una reaccin qumica de oxidacin, quedando excluidas las

reacciones nucleares, no qumicas, de fisin o fusin nuclear, ya que para ello se usa la

frmula E = mc).

El poder calorfico expresa la energa que puede liberar la unin qumica entre un

combustible y el comburente y es igual a la energa que mantena unidos los tomos en las

molculas de combustible (energa de enlace), menos la energa utilizada en la formacin

de nuevas molculas en las materias (generalmente gases) formadas en la combustin. La

magnitud del poder calorfico puede variar segn como se mida. Segn la forma de medir

se utiliza la expresin poder calorfico superior (abreviadamente, PCS) y poder calorfico

inferior (abreviadamente, PCI).

La mayora de los combustibles usuales son compuestos de carbono e hidrgeno, que al

arder se combinan con el oxgeno formando dixido de carbono (CO2) y agua (H2O)

respectivamente. Cuando se investig cientficamente el proceso de la combustin, se

consider que para el buen funcionamiento de las calderas donde se produca, era necesario

que los gases quemados salieran por el conducto de humos a una cierta temperatura mnima

para generar el tiro trmico necesario para un buen funcionamiento. Esta temperatura est

por encima de los 100 C, por lo que el agua producida no se condensa, y se pierde el calor

latente o calor de cambio de estado, que para el agua es de 2261 kilojulios (540

kilocaloras) por kilogramo de agua, por lo que hubo necesidad de definir el poder

calorfico inferior, para que las calderas tuvieran, aparentemente, unos rendimientos ms

alentadores.

Por ello, se us la denominacin poder calorfico superior para el calor verdaderamente

producido en la reaccin de combustin y poder calorfico inferior para el calor realmente

aprovechable, el producido sin aprovechar la energa de la condensacin del agua y otros

procesos de pequea importancia.

La mayor parte de las calderas y los motores suelen expulsar el agua formada en forma de

vapor, pero actualmente existen calderas de condensacin que aprovechan el calor de

condensacin, con rendimientos mucho ms altos que las tradicionales, superiores al 100%

del PCI, pero, por supuesto, siempre inferiores al 100% del PCS. Sin embargo, para

condensar el vapor, no pueden calentar el agua a ms de a unos 70 C, lo que limita sus

usos y adems, solamente pueden usarse con combustibles totalmente libres de azufre

(como la mayora de los gases combustibles), para evitar condensaciones cidas; por falta

de temperatura suficiente y, por lo tanto, por falta de tiro trmico, en estas calderas la

evacuacin de los gases debe hacerse por medio de un ventilador.

Luego de estas explicaciones, a continuacin se definen los trminos de poder calorfico

superior e inferior

Poder calorfico superior

Es la cantidad total de calor desprendido en la combustin completa de una unidad de

volumen de combustible cuando el vapor de agua originado en la combustin est

condensado y se contabiliza, por consiguiente, el calor desprendido en este cambio de fase.

El poder calorfico de una muestra de combustible se mide en una bomba calorimtrica. La

muestra de combustible y un exceso de oxgeno se inflama en la bomba y tras la

combustin, se mide la cantidad de calor. La bomba se enfra con este fin a temperatura

ambiente. Durante dicho enfriamiento, el vapor de agua se condensa y este calor de

condensacin del agua est incluido en el calor resultante.

Poder calorfico inferior

Es la cantidad total de calor desprendido en la combustin completa de una unidad de

volumen de combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de

agua generado en la combustin, ya que no se produce cambio de fase, y se expulsa como

vapor. Es el valor que interesa en los usos industriales, por ejemplo hornos o turbinas,

porque los gases de combustin que salen por la chimenea estn a temperaturas elevadas, y

el agua en fase vapor no condensa. Tambin es llamado poder calrico neto, ya que al

poder calorfico superior se resta el calor latente de evaporacin.

La actividad que est definida en esta experiencia es la medicin del poder calorfico del

cido benzoico, para as mismo calibrar la cmara de combustin, y finalmente calcular el

poder calorfico del petrleo disel.

Esta experiencia se realiz en el laboratorio de termo-fluidos, a cargo del profesor Ing. Luis

Gatica y del encargado de laboratorio Luis Rodrguez, en las dependencias del

departamento de ingeniera mecnica de la Universidad de La Serena.

2.2.- Objetivo General

Calcular el poder calorfico del cido benzoico y del petrleo disel.

Objetivos Especficos

Medir el largo inicial del cable Nicrom para ambos casos.

Formar y pesar la capsula de cido benzoico para el primer caso y medir los

mililitros del petrleo disel para el caso final.

Sostener la capsula de cido benzoico con el cable Nicrom para introducirla en la

cmara de combustin para el primer caso y sostener el contenedor del petrleo disel con

el mismo cable para el caso final.

Medir los dos litros de agua desmineralizada para depositarla en el contenedor para

ambos casos.

Agregarle oxgeno a la cmara de combustin hasta una presin de 25 [atm]

aproximadamente para ambos casos.

Medir la Temperatura inicial del agua antes de iniciar el agitador para ambos casos.

Medir la temperatura del agua cada 1 minuto para el primer caso y cada 30

segundos para el caso final.

Medir las longitudes finales del cable de Nicrom para ambos casos.

Finalmente calcular el poder calorfico con los datos obtenidos para ambos casos.

2.3.- Alcances de la experiencia

Luego de consumar la experiencia, se realizaron las mediciones de temperaturas y

longitudes finales del cable de nicrom, lo que permiten calcular, segn lo mencionado

anteriormente en las caractersticas del poder calorfico, el poder calorfico en s, ya que la

cmara de combustin al estar dentro de una cmara adiabtica, no desprende calor al

ambiente, por ende no se especific en calcular el poder calorfico superior ni inferior.

3.- Hiptesis

3.1.- Supuesto

Durante el experimento, especficamente al realizarse la combustin, la cantidad de calor

cedido debe ser igual a la cantidad de calor absorbido, para lo cual no deben existir

condiciones que involucren perdidas de energa o intercambio trmico con el medio, por lo

tanto se considera un proceso ideal.

3.2.- Definicin de variables

Durante el experimento se definen las siguientes variables:

- Temperatura: La variacin de sta tanto final como inicial, determinar el valor del

poder calorfico de material a estudiar, de acuerdo a la hiptesis establecida.

- Tiempo

- Masa de combustible

- Longitud de Nicrom

4.- Marco Terico

4.1.- Revisin Bibliogrfica

Segn lo descrito en la hiptesis, las ecuaciones y variables que se utilizan segn el

procedimiento experimental se describirn a continuacin.

Antes de exponer las ecuaciones y las variables que influyen en el proceso cabe destacar

que este mtodo consiste en el empleo de "Calormetros" mediante los cuales se puede

determinar en forma directa en el laboratorio el poder calorfico de los combustibles.

Los mtodos calorimtricos consisten en quemar una cierta cantidad de combustible y

medir la cantidad de calor producida a travs de la energa a trmica ganada por un lquido

conocido, agua, el que, de acuerdo al mtodo a utilizar, puede estar contenida en un

recipiente, o permanecer en continua circulacin durante el proceso.

En un proceso ideal se cumplir que:

Calor liberado por el combustible = Calor ganado por el agua

)..(** inicialtfinaltCPamaQ

QQ

comb

aguacomb

El procedimiento de clculo se bas en el calormetro de MAHLER Y KROEKER, el cual

supone que al no existir intercambio trmico con el medio, el calor generado dentro de la

cmara de combustin (Q) es entonces absorbido por los elementos que rodean la misma,

los cuales son:

el agua contenida en el calormetro

el agitador

el termmetro

la bomba y

el recipiente calorimtrico

Por lo tanto,

recipientebombatermmetroagitadoragua QQQQQQ

Como para distintos ensayos en un mismo aparato, tanto el agitador, como el termmetro,

la bomba y el recipiente son comunes, se puede agrupar de la siguiente manera:

Ecuacin que se puede indicar como:

Por lo tanto las variables que se expusieron en la hiptesis y se afirman en la revisin

bibliogrfica siguen siendo:

o Temperatura

o Tiempo

o Masa de combustible

o Longitud de Nicrom

4.2.- Extraccin Recopilacin de informacin de inters

Como sabemos el poder calorfico es la capacidad de calor que entrega un kg o m3 de

combustible al oxidarse completamente.

En otras palabras es cuando el carbono pasa a anhdrido carbnico

Las unidades de medida del poder calorfico pueden ser las siguientes:

[kcal/kg]; [kcal/m3]; [BTU/lb]; [BTU/pie

3].

Existen dos mtodos para calcular el poder calorfico de un combustible, estas son:

Mtodo analtico.

Mtodo prctico.

En esta oportunidad indagaremos a profundidad el mtodo analtico

Mtodo analtico:

Este mtodo se basa segn el principio de conservacin de la energa, la cual afirma que la

cantidad de energa en cualquier sistema fsico aislado (adiabtico en este caso) permanece

invariable con el tiempo, aunque dicha energa puede transformarse en otra forma

energtica.

Si lo contextualizamos a la experiencia realizada, encontramos la siguiente definicin: el

poder calorfico de un sistema compuesto, es la suma de todos los poderes calorficos de

elementos simples que lo forman, multiplicado por la cantidad centesimal, descontando de

la cantidad de hidrogeno presente en el combustible la cantidad que se encuentra

combinada con el oxgeno del mismo.

Teniendo en cuenta lo anterior se debe realizar un anlisis elemental para determinar el

poder calorfico utilizando la siguiente expresin:

Poder calorfico del carbono

Si el carbono se combina con una cantidad suficiente de oxgeno, este combustiona

completamente formando anhdrido carbnico con desprendimiento de calor, la formula

qumica que explica este proceso es la siguiente:

Por el contrario si el oxgeno no es suficiente para combustionar completamente al carbono

se forma monxido de carbono con liberacin de calor en menor cantidad del calor, la

reaccin representativa es la siguiente:

Poder calorfico del hidrogeno

El hidrogeno se combina con el oxgeno en forma total, generando agua con

desprendimiento de calor

El valor incluye el calor cedido que se produce en etapa de condensacin de agua generado

en la combustin, por lo tanto este valor representa el poder calorfico superior.

En el caso de no lograr aprovechar completamente el calor de la condensacin, se deber

descontarle el calor que pierde al no condensar con lo cual obtenemos el poder calorfico

inferior:

Poder calorfico del azufre

Si bien el azufre es un elemento contaminante del combustible por lo tanto

automticamente lo genera en un elemento no deseado, pero sin embargo cuando esta

presenta y adems se oxida libera calor, esta reaccin queda representada de la siguiente

manera:

Formula de Dulogn para calcular poder calorfico superior de un combustible seco.

Dulong presenta esta frmula para todos aquellos combustibles secos que contenga

carbono, hidrogeno y azufre en su composicin qumica.

(

)

Dnde:

C: cantidad centesimal de carbono en peso por kg de combustible.

H: cantidad centesimal de hidrogeno en peso por kg de combustible.

O: cantidad centesimal de oxgeno en peso por kg de combustible.

S: cantidad centesimal de azufre en peso por kilogramo de combustible.

O/8: cantidad centesimal de hidrogeno en peso que se encuentra combinado con el oxgeno

del mismo combustible dando agua de combinacin.

(H-O/8): cantidad centesimal de hidrogeno disponible, en peso realmente disponible para

que se oxide con el oxgeno del aire, dando agua de formacin.

A continuacin se presentan varias frmulas para el clculo de poder calorfico inferior

Frmula de Dulong para combustible seco:

(

)

Frmula de Dulong para combustible hmedo:

(

)

Frmula de Hutte para combustible hmedo

(

)

Frmula de la asociacin de ingenieros alemanes para combustible hmedo

(

)

4.3.- Marco terico

Los clculos realizados en esta experiencia de laboratorio, tienen como base el fundamento

del calormetro de MAHLER Y KROEKER, el cual supone que al no existir intercambio

trmico con el medio, el calor generado dentro de la cmara de combustin (Q) es entonces

absorbido por el agua alrededor de la cmara de combustin.

aguacomb QQ

Las formulas en que estn basados los clculos son las siguientes:

absorvidocedido QQ

)(*

)(***

TiTfCpm

TiTfCpmCpLHHVm

ocalormetrocalormetr

aguaaguaaresistenciaresistenciecombustiblecombustibl

Por lo tanto si se agrupan

aguaagua Cpm * y ocalormetrocalormetr Cpm * como K

La ecuacin queda de la siguiente manera:

)(*** TiTfkCpLHHVm aresistenciaresistenciclcl

Donde K es una constante y HHV es el poder calorfico del combustible.

A continuacin se detalla la nomenclatura de las ecuaciones anteriores:

cedidoCalorQcedido .

absorvidoCalorQabsorvido .

ecombustiblMasam ecombustibl .

ecombustiblcalorficoPoderHHV ecombustibl ..

aresistencioLL aresistenci .arg

aresistenciespecificoCalorCp aresistenci ..

aguaMasamagua . aguaespecificoCalorCpagua ..

inicialTempfinalTempTiTf ..

ocalormetrMasam ocalormetr .

ecombustiblespecficoCalorCp ocalormetr ..

ocalormetrMasamcl .

ocalormetrcalorficoPoderHHVcl ..

teConsk tan

5.- Descripcin del Experimento

5.1.- Pasos del experimento

Procedimiento

1) Pesar pastilla de cido benzoico en balanza digital.

2) Cortar alambre de Nicrom y medirlo con pie de metro, lo cual nos proporcionar el largo

inicial.

3) Verter 2 litros de agua desmineralizada en recipiente.

4) Enrollar alambre de Nicrom cortado con anterioridad con el cido benzoico en la cmara de

combustin.

5) Verificar la vlvula de liberacin de aire en la cmara de combustin.

6) Insertar sello Oring en cmara de combustin.

7) Llenar oxigeno con alrededor de 30 atm la cmara de combustin.

8) Sumergir cmara de combustin en recipiente con agua, verificando la presencia de fuga.

9) Conectar cables de cmara adiabtica a la cmara de combustin.

10) Calibrar la mxima temperatura de resistencia del alambre Nicrom a travs de la fuente de

poder.

11) Conectar fuente de poder a cmara adiabtica e insertar un termmetro para el registro de

temperatura.

12) Esperar variacin de temperatura en cada intervalo de tiempo definido.

13) Una vez verificada la combustin, medir el alambre Nicrom restante en la cmara de

combustin.

14) Luego de haber realizado el experimento para el cido benzoico, se vuelve a realizar los

mismos procedimientos para el clculo de poder calorfico del disel.

5.2.- Instrumentos utilizados

A continuacin se indican los instrumentos utilizados para la realizacin del experimento presente:

Nicrom: Aleacin compuesta de un 80% de nquel y un 20% de cromo. Es de color gris y

resistente a la corrosin, con un punto de fusin cercano a los 1400 C.

Balanza: Usada para la medicin del peso del cido benzoico en forma digital.

Acido benzoico: El cido benzoico es un cido aromtico, slido y poco soluble en agua

fra pero con buena solubilidad en agua caliente o disolventes orgnicos

Recipiente: Usado para el llenado de agua desmineralizada y al interior de ste se

encuentra la cmara de combustin durante el experimento.

tanque de oxgeno: Recipiente de almacenaje de oxgeno, en donde fue suministrado a la

cmara de combustin.

Cmara de combustin: Lugar donde se realiza la combustin del combustible con

el comburente, generalmente aire.

Cmara adiabtica: Sistema cerrado y aislado trmicamente, capaz de reproducir a

voluntad, y en condiciones estables, cualquier valor de temperatura de forma precisa y

controlada.

6.- Recoleccin clculos de datos

Datos medidos y calculados

Datos medidos utilizando cido benzoico para la calibracin del sistema:

Elemento

cido

Benzoico

Li cable [cm] 15.5

Masa A. Benzoico [gr] 1

Volumen H20 [L] 2

Presin [atm] 25

Ti [C] 16

Lf cable [cm] 3.8

HHV A. Benzoico

[cal/gr] 6318

Medicin Tiempo [min] Temperatura [C]

#1 1 16

#2 2 16

#3 3 16

#4 4 16

#5 5 16

#6 6 16

#7 7 17

#8 8 18

#9 9 18

#10 10 18

#11 11 18

#12 12 19

#13 13 20

#14 14 21

#15 15 21

#16 16 21

Una vez tomado los datos calculamos el valor de la constante K de la siguiente manera:

Dando como resultado el valor siguiente:

K 1268,982

Posteriormente se procedi a tomar los datos para poder calcular el poder calorfico del

combustible Disel.

Elemento Disel

Li cable [cm] 15

Volumen H2O [L] 2

Presin [atm] 25

Ti [C] 20

Lf cable [cm] 10.92

Volumen disel [mL] 2

141516171819202122232425

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Tem

per

atu

ra [

C]

Minutos

Temperatura [C]

Mcl HHVcl Lresist Cpresist K Tf Ti( )

KMcp HHVcl Lresist Cpresist

Tf Ti( )

Medicin Tiempo [min] Temperatura [C]

#1 0.5 24

#2 1 27

#3 1.5 28

#4 2 29

#5 2.5 30

#6 3 30

#7 3.5 30

#8 4 30

#9 4.5 30

#10 5 31

Con la constante K calculada en el paso anterior y los datos tomados en la segunda parte de

la experiencia se pudo calcular el HHV del disel utilizando la siguiente frmula:

Obteniendo como resultado:

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5

Tem

per

atu

ra [

C]

Minutos

Temperatura [C]

HHV disel [cal/gr] 8403.263855

HHVclK Tf Ti( ) Lresist Cpresist

Mcl

7.- Anlisis de datos y presentacin con discusin de resultados

Al observar los resultados de temperatura v/s tiempo, podemos observar a simple vista que

se alcanzan temperaturas ms altas usando como combustible disel en vez de usar acido

benzoico, esta diferencia de temperatura alcanza aproximadamente 10 C durante el

transcurso de tiempo medido del experimento. Adems de las diferencias de los rangos de

temperaturas se evidencia que la rapidez del calentamiento del agua presenta el mismo

comportamiento, ya que al medir la temperatura ocupando disel solo en 5 minutos, este

alcanz 31C, en cambio la temperatura del agua ocupando como combustible acido

benzoico alcanz solo 16C.

Al observar el valor obtenido del poder calorfico del disel (8403 aprox.) con valores

buscados en la web podemos darnos cuenta que existe una pequea variacin de este valor

[1] de aproximadamente un 5%, pero teniendo en consideracin que los valores que se

obtienen de la literatura son calculados en condiciones especficas ideales y que dependen

de su composicin comercial, el error cometido es aceptable en las condiciones trabajadas.

[1] http://www.ecured.cu/index.php/Gas%C3%B3leo

8.- Conclusiones

Luego de realizada esta experiencia de laboratorio se puede observar que si se revisa toda la

informacin que circula a travs de las redes de internet lo ms probable es que no se

encuentre un valor exacto para el poder calorfico del combustible disel, algunas de esta

cifras son cercanas a 10000 [cal/gr], mientras que otras fuentes indican un valor del orden

de 8800 [cal/gr]. Si contrastamos esos valores con el resultado obtenido en el laboratorio

,que fue de aproximadamente 8400 [cal/gr], se observa que la diferencia no es tan

significativas debido a varios puntos, uno de ellos es en las condiciones ambientales en que

se encuentran los equipos de laboratorio, probablemente los valores de referencia fueron

tomados en condiciones distintas a las que hay en el laboratorio de termo-fluidos de la

Universidad de La Serena, esto puede afectar directamente a las temperaturas de trabajo

con que se realizaron las mediciones de esta experiencia. Otro factor que pudo afectar en el

resultado son las condiciones en que se encuentran los instrumentos de trabajo, esto impide

que se desarrolle con mayor exactitud la experiencia.

Considerando los puntos tratados anteriormente el resultado obtenido en este laboratorio

estn concordantes con los resultados de la literatura, ya que son bastantes prximos a los

resultados obtenidos en esta experiencia, lo que deja manifiesto que en otras condiciones

los resultados tendra diferencias casi insignificante o de otra forma con un porcentaje de

error muy bajo.