Poder Calorifico 315s42

Universidad de Santiago de Chile Departamento de Física Facultad de ciencia

Determinación del poder calorífico por medio de la bomba calorimétrica

Integrantes: Patricia Arias Palma Alberto Navarrete Villegas Jorge Sandoval Caro Asignatura: Termodinámica Profesor: Patricio Pérez

Determinación experimental del calor de combustión del diesel El calor de combustión (también denominado calor de reacción o poder calorífico) de una sustancia se puede definir como la cantidad de energía liberada por unidad de masa tras hacer combustionar dicho elemento. En el sistema internacional (SI) se mide en [MJ/Kg], sin embargo, experimentalmente es frecuente presentarlo en [Kcal/Kg]. El trabajo de investigación desarrollado está relacionado con la obtención del poder calorífico de combustibles líquidos, en particular del diesel. Para su determinación experimental se utiliza el método de la bomba calorimétrica a volumen constante, método del que se hablará extensamente más adelante. Así como muchas sustancias en la naturaleza, los combustibles presentan, en general, un cierto porcentaje de agua dentro de sus componentes. Por esta razón, al momento de caracterizar una muestra de combustible se distinguen dos valores de poder calorífico: el inferior (PCI) y el superior (PCS). El PCI se define como el calor de combustión entregado por el combustible cuando el porcentaje de agua que lo compone, tras la reacción, se encuentra en estado gaseoso; el PCS en tanto, se define como el PCI más el calor cedido por el agua luego de pasar a estado líquido. Es claro entonces que la diferencia entre el poder calorífico superior e inferior depende netamente de la cantidad de agua que compone al combustible en estudio. A nivel industrial, los combustibles derivados del petróleo, como fuente de energía, tienen gran relevancia. Dentro de los parámetros que se utilizan para la elección de un combustible, se encuentra precisamente el poder calorífico, pues permite obtener una relación entre la energía entregada y su costo. Hoy en día, en Chile el combustible utilizado es preferentemente gas natural, debido a que produce menos contaminantes, a su bajo costo y poder calorífico relativamente alto. Como es sabido, el país tuvo que afrontar hace algún tiempo problemas con el suministro del gas natural proveniente de Argentina, lo que derivo en la necesidad de buscar, adicionalmente, otras fuentes de energía. Dos de ellas son el diesel y el gas licuado del petróleo (GLP). En términos del poder calorífico, posee una ventaja el GLP con un valor más alto, seguido por el diesel y finalmente el gas natural. Pese a esto, el mismo orden de precedencia se aplica en cuanto al costo del combustible por lo que el GLP se utiliza muy poco. A continuación se muestra una tabla comparativa entre distintos combustibles derivados del petróleo en términos poder calorífico superior e inferior y su costo.

Tabla 1: Comparación entre diversos combustibles fósiles en términos de su poder calorífico y su costo. Cabe señalar que la muestra estudiada a lo largo de este trabajo proviene de la termoeléctrica Gas Atacama.

 Marco teórico: Para determinar el calor de combustión, se puede utilizar la bomba calorimétrica o calorímetro de Parr. Este consiste en un recipiente donde esta contenida la muestra y donde se realiza la combustión (bomba). La bomba está sumergida en una cantidad conocida de agua. El sistema completo está contenido en una chaqueta adiabática que impide que salga calor del sistema. Midiendo las diferencias de temperatura del agua antes y después de la combustión, es posible determinar el calor cedido por el combustible. Se tiene que el sistema es adiabático, o sea ΔQ sistema=0 Entonces la diferencia entre el calor cedido por la bomba menos el calor absorbido por el resto del sistema es cero. ΔQ ced − ΔQ abs=0 Se debe considerar que el calor es absorbido por la cantidad de agua y por el calorímetro en sí. Por lo general este calor absorbido por el calorímetro está previamente medido por lo que se trata de una cantidad conocida. Si consideramos además el calor cedido corresponde al calor de la combustión más el que produce el alambre de ignición que provoca el estallido de la muestra, nos queda ΔQ COMB +ΔQ FIL −ΔQ H2O− ΔQ cal =0 Entones el calor de combustión queda: ΔQ COMB =ΔQ H2O +ΔQ cal − ΔQ FIL Lo que se mide es la diferencia de temperatura del agua del recipiente ΔT . La ecuación queda: ΔQ COMB =C H2O  T f −Ti  +ΔQcal − ΔQ FIL Lo que necesitamos saber es la cantidad de calor producida por una cantidad conocida de combustible, por lo que debemos dividir por la masa de la muestra. ΔQ COMB m [ Kg ] =

C H2O  T f −Ti  +ΔQ cal − ΔQ FIL m MUESTRA [ Kg ]

Por lo general estos cálculos están sujetos a factores de corrección que dependen por ejemplo de la cantidad de óxidos formados de Azufre y Nitrógeno. O la capacidad calórica del calorímetro. La forma alternativa de medir el calor de combustión es simplemente medir la diferencia de temperatura ΔT multiplicarla por una constante k que involucra a todos los factores, que se debe medir en forma experimental. Esto conviene debido a que se minimizan los errores. ΔQ COMB m

[ Kg ] =k  T f −T i 

Medición del poder calorífico de un combustible por medio de la bomba calorimétrica Parr Materiales: * Calorímetro * Chaqueta adiabática * 10 [cm] de alambre de ignición * Termómetro de mercurio (sensibilidad ± 0,02 [ºC]) * aproximadamente 1[g] de muestra de combustible * Balanza analítica (sensibilidad ±0,0001[g]) * 2Kg de agua * Lupa El calorímetro de Parr es un envase sellado que minimiza el intercambio de calor entre el sistema y el entorno.

Figura 1. Bomba calorimétrica

Figura 2. Interior de la bomba.

Primero se masa la muestra de combustible con la balanza, esta muestra tiene que ser de un gramo aproximadamente. La muestra de combustible se introduce en la copa y se conecta el alambre de ignición a los electrodos, haciendo que el alambre sólo toque el combustible y no los bordes de la copa. Luego se cierra la bomba y se procede a agregar 30 [atm] de oxigeno, se utiliza esta cantidad de presión de oxigeno para que la combustión sea buena y el combustible se queme completamente. Ya armada la bomba calorimétrica, se acciona el motor de la bomba, para que la temperatura del agua del recipiente se mantenga constante. Luego se mide con el termómetro de mercurio la temperatura inicial del agua, es necesario que la lectura del termómetro sea con una lupa ya que la sensibilidad del termómetro es de 0,02 [ºC]. Después de esto se deben conectar los electrodos a la batería, para generar el chispazo que hará combustionar la muestra. Al combustionar la muestra la temperatura del sistema comienza a aumentar y se hace la lectura de la temperatura final cuando esta alcanza el máximo. Al analizar los restos de la combustión se encontró carboncillo y agua en estado gaseoso, por lo tanto el poder calorífico que estamos midiendo correspondo al PCI. Luego de hacer estas mediciones obtuvimos los siguientes resultados: temperatura inicial: Ti = 20,90 [ºC] temperatura final: Tf = 25,54 [ºC] masa del combustible: m = 1,0233 [gr] La constante del calorímetro ya fue medida con anterioridad y esta tiene un valor de: k = 9,27 [MJ/Kg ºK] Con estos datos se procede a calcular el poder calorífico de la muestra de combustible (diesel) ΔQ COMB m

[ Kg ] =9,27 25,54−20,90 =43,0128 [ MJ / Kg ] =10273,43 [ Kcal /Kg ]

Este poder calorífico se asemeja bastante al valor del PCI visto en la tabla 1. por lo que se concluye que el experimento fue realizado con éxito.