Adecuación, calibración y pruebas de un calorímetro de bomba de oxígeno para el laboratorio de conversión de energía

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ADECUACIÓN, CALIBRACIÓN Y PRUEBAS DE UN

CALORÍMETRO DE BOMBA DE OXÍGENO PARA EL

LABORATORIO DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA

AUTOR:

Efraín Camilo Rodríguez Rojas

ASESOR:

Rafael Beltrán Master Eng, Mec.

UNIVERIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. – COLOMBIA

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1. Tabla de

contenido

1. Introducción ... 3

2. Objetivos ... 5

3. Marco Teórico ... 6

a. Bomba Calorimétrica ... 6

I. Bomba de oxígeno ... 6

II. Recipiente (Bucket) ... 7

III. Chaqueta Aislante ... 8

IV. Termómetros ... 9

V. Sistema de control de agua chaqueta ... 9

b. Termoquímica ... 10

I. Teoría experimental ... 10

II. Bomba calorimétrica de volumen constante ... 12

4. Montaje ... 13

I. Temperatura del Balde (bucket) ... 13

II. Tanques ... 14

III. Sistema de control de agua en la chaqueta ... 15

IV. Llenado de la bomba ... 17

5. Diseño experimental ... 18

I. Medición ... 18

a. Termómetro ... 18

b. Balanza ... 19

II. Masa de combustible ... 20

III. Presión de operación ... 21

IV. Toma de datos ... 21

V. Constante de calibración ... 22

VI. Calculo poder calorífico de los combustibles ... 23

6. Procedimiento experimental ... 24

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I. Calibración... 31

a. Primera prueba de calibración: ... 31

b. Segunda prueba de calibración ... 33

c. Tercera prueba de calibración ... 35

II. Primer combustible (Bagazo) ... 37

a. Primera prueba bagazo ... 38

b. Segunda prueba bagazo ... 40

c. Tercera prueba bagazo ... 42

III. Segundo combustible (ACPM) ... 44

a. Primera prueba ACPM ... 44

b. Segunda prueba ACPM ... 46

c. Tercera prueba ACPM ... 48

d. Cuarta prueba ACPM ... 50

IV. Tercer Combustible (Gasolina) ... 53

a. Primera prueba gasolina ... 53

b. Segunda prueba gasolina ... 55

c. Tercera prueba gasolina ... 57

8. Análisis de resultados ... 60

9. Conclusiones ... 61

10. Sugerencias... 61

11. Bibliografía ... 62

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1. Introducción

La determinación del poder calorífico de los combustibles es fundamental para el diseño de equipos y sistemas de combustión. Este poder calorífico se determina por medio de calorímetros como el de flujo utilizado para combustibles gaseosos y el de bomba de oxígeno usado para combustibles líquidos y sólidos.

El calorímetro Parr o de bomba es un instrumento muy útil que debe existir en todo laboratorio de conversión de energía. La demanda por servicios relacionados con la determinación del poder calorífico de sustancias sólidas y líquidas es considerable y el laboratorio de la universidad recibe con regularidad solicitudes en este sentido.

El laboratorio de Ingeniería Mecánica cuenta, en principio, con uno de estos equipos y con la mayoría de los elementos necesarios para este fin. Sin embargo, el estado actual del equipo y su falta de calibración hacen que no sea posible prestar los servicios para los que fue diseñado.

 Para realizar los ensayos el calorímetro de bomba debe contar con los siguientes elementos:

o Un recipiente o bomba que contiene la muestra del material

de prueba y puede resistir presiones muy altas en su interior.

o Un balde (bucket) de capacidad conocida que contiene un

baño de agua dentro del cual se sumerge la bomba

o Un gabinete dotado de un baño de agua con temperatura

controlada dentro del cual se coloca el balde junto con la bomba. Este gabinete cuenta con servo-válvulas que permiten el ingreso de agua caliente y fría para mantener la temperatura de agua en un valor predeterminado (aprox. 20°C) y con los instrumentos de medición de temperatura asociados

o El sistema de agitación del agua del balde con el fin de

uniformizar la temperatura durante todas las etapas de un ensayo

o Un termómetro de precisión capaz de registrar temperatura

con resolución de hasta 0.01°C. El tipo de sensor puede ser termómetro de mercurio, un PRT (platinum resistance thermometer) de alta calidad o un termistor.

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o Una fuente de oxígeno a alta presión para llenar

completamente la bomba antes de los ensayos.

Para realizar pruebas con combustibles se debe contar con elementos como:

 Alambre de hierro utilizado para encender la muestra de combustible  Cápsulas de gelatina para colocar en su interior las muestras de los

combustibles líquidos

 Combustible de prueba utilizado para calibrar el equipo

 Balanza de precisión para pesar las muestras antes de quemarlas  Una mufla para secar las muestras y determinar su contenido de

humedad

El equipo existente en el laboratorio cuenta con muchos de los elementos mencionados anteriormente. Sin embargo, en su estado actual no es posible realizar ensayos pues hay problemas en varias partes.

El baño exterior de agua no es operacional debido al desgaste y daño de las servo-válvulas así como el sistema de control

Hacen falta algunos elementos para poder realizar pruebas tales como la balanza de precisión.

No se encuentra calibrado el equipo para saber su constante

Hace falta realizar experimentación para determinar el tamaño apropiado de las muestras que conduzcan a la combustión completa tanto en el estado sólido como líquido.

No se cuenta con los planos del equipo que permitan identificar sus partes principales.

Se necesita un listado de repuestos que se puedan conseguir en el mercado para mantener operacional el equipo.

Se requiere hacer un diseño experimental para que los resultados de lso ensayos tengan un alto grado de confiabilidad.

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2. Objetivos

● Poner en funcionamiento en toda su extensión el equipo de bomba calorimétrica

● Realizar la calibración del equipo

● Hacer pruebas de funcionamiento de equipo con el fin de encontrar el poder calorífico de diferentes materiales

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3. Marco Teórico

a. Bomba Calorimétrica

Un calorímetro es un instrumento que se usa para la medición del calor asociado a reacciones químicas o cambios físicos como y el poder calorífico. Existen varios tipos de calorímetros los cuales se usan para diferentes tipos de aplicaciones, en este caso en particular se usa un calorímetro de bomba para la medición de combustibles sólidos y líquidos.

El calorímetro de bomba es un calorímetro de volumen constate usado para la medición de una combustión, estos soportan altas presiones debido a la compresión del oxígeno utilizado dentro de la bomba y a su vez el alza de temperatura debido a la reacción química que se produce, este utiliza una corriente eléctrica para iniciar la combustión.

El proceso de combustión eleva la temperatura del contenedor o bomba el cual se encuentra rodeado de agua, a su vez esta agua absorbe la temperatura, el cambio de temperatura del agua permite el cálculo del calor generado por el combustible.

Para este proyecto en particular se utiliza un calorímetro marca Parr modelo 1241. Esta cuenta con una bomba de oxígeno, un recipiente o bucket, una chaqueta aislante, termostatos y un sistema de tuberías para la regulación de la temperatura en la chaqueta aislante. (Polik, 1997)

I. Bomba de oxígeno

Esta consiste de un recipiente metálico de paredes gruesas, resistente a la corrosión y altas presiones, en el cual se coloca la muestra de combustible.

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Fotografía 1 Bomba de Oxígeno

Este recipiente se sella por medio de una rosca mecanizada a la perfección para evitar fugas de oxígeno y los gases de combustión, sobre la tapa se encuentran dos válvulas una para la inyección del oxígeno que cuenta con un mecanismo de anti retorno que garantiza que no hallan fugas y la otra válvula roscada para la evacuación de los gases de combustión una vez terminada la prueba. Además de esto posee un par de electrodos los cuales permiten el paso de una corriente eléctrica que se canaliza por medio del alambre de hierro haciendo la ignición del combustible.

En la tapa también se encuentra un soporte en el cual se coloca realmente la muestra de combustible, cerca de los electrodos para que la corriente eléctrica pase por el combustible iniciando la reacción.

II. Recipiente (Bucket)

Es un recipiente de acero inoxidable en el cual se coloca la bomba calorimétrica, este se llena de agua a 25°C y su función es la de absorber el calor de la combustión, dentro también se coloca un agitador para garantizar la uniformidad del cambio en la temperatura registrada.

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III. Chaqueta Aislante

Es un recipiente metálico aislado de doble pared, en el cual se suministra agua para evitar la transferencia de calor hacia el ambiente. Dependiendo del tipo de aislante se encuentras dos tipos de calorímetros de bomba, si la temperatura del agua dentro del recipiente se puede controlar para que aumente simultáneamente con el balde, no existiría una transferencia de calor entre los dos obteniendo resultados más precisos, esta se conoce como un bomba de tipo adiabático.

Si la temperatura dentro de la chaqueta permanece constante durante toda la prueba, se denomina calorímetro isotérmico. En este caso es necesario utilizar correcciones que tienen en cuenta la transferencia de calor entre las partes durante la prueba.

El calorímetro que se encuentra en la universidad es del tipo isotérmico el cual tiene la capacidad de mantener constate la temperatura dentro de la chaqueta, en la practica la temperatura puede variar entre 0.6 y 0.8 grados Celsius, lo que significa que los datos tienen un error asociado.

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IV. Termómetros

Se requiere el uso de termómetros de vidrio de una precisión de 0.01°C ya que la temperatura es el cambio más crítico en todo el experimento, esta cambia sutilmente dependiendo del tipo de combustible usado en la bomba. Se utilizó los termómetros que se encuentran en el laboratorio de conversón de energía de la universidad de los andes.

Este debe medir la temperatura del bucket, la cual es la que absorbe el calor producido por la bomba debido a la combustión, existe un soporte en el ensamble del mezclar el cual permite el soporte del termómetro.

Fotografía 3 Termómetro de precisión

V. Sistema de control de agua chaqueta

La temperatura en la chaquete debe ser constante y regulada para aislar el bucket del exterior, con este fin se requiere controlar la temperatura dentro del equipo.

Esto se hace por medio de unas bombas que inyectan agua caliente o fría, según lo requiera, estas bombas se energizan con una fuente de voltaje directa. El encendido de estas bombas se controla con las válvulas del equipo, la chaqueta censa continuamente la temperatura dentro de la misma y cuando detecta un cambio se energiza la

bobina del relevo de equipo que le pasa corriente a la válvula que corresponda.

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Fotografía 4 Válvulas y Relevos

Como se observa en la fotografía 4 los relevos están conectados directamente al control del equipo.

b. Termoquímica

I. Teoría experimental

Para poder conocer la energía que puede ser utilizada como resultado de la combustión de una sustancia química, solida o liquida, se requiere conocer los principios que rigen la calorimetría. Para determinar el cambio de entalpia ∆ o el cambio de energía ∆

acompañado de un cambio isotérmico dado en un sistema. La reacción se puede escribir sistemáticamente como:

(David P. Shoemaker & Nibler, 1996) Estado inicial Estado final

Si n es el número de moles del reactivo limitante, la cantidad de la reacción será ∆ ∆ / y ∆ ∆ / .

Prácticamente no se calcula el cambio de estado isotérmico, no porque no sea necesario, sino que ∆ y ∆ son independientes y se puede realizar en dos pasos.

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11 1. Un cambio de estado adiabático en un recipiente calorimétrico

para alcanzar el producto deseado pero en general a otra temperatura:

(David P. Shoemaker & Nibler, 1996)

Donde S representa las partes del calorímetro que siempre están a la misma temperatura que los reactivos o productos debido al arreglo experimental.

2. Los productos del punto 1 se llevan a la temperatura inicial agregando calor al sistema:

(David P. Shoemaker & Nibler, 1996)

Es usualmente innecesario realizar este último paso debido a que el cambio de energía o entalpia asociado pude ser

calculado conociendo la diferencia de temperatura.

Por tanto, ∆ o ∆ , sustituyendo en las ecuaciones anteriores se encuentra la relación:

∆ ∆ ∆

Convenientemente en el paso 1 el calor q es 0, mientras que el calor en el segundo paso puede ser medido o calculado por medio del cambio de temperatura resultante del paso adiabático si la capacidad calorífica del producto del sistema

es conocido, para el paso 1:

∆ 0 Presión contante

∆ 0 Volumen constante

Y finalmente si los dos son hechos a volumen constante:

∆ ∆

Cuando se realiza este procedimiento, se hace para la determinación del calor de combustión, el cual es realizable con un volumen contante es decir una bomba calorimétrica.

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II. Bomba calorimétrica de volumen constante

El calorímetro de bomba consiste de una celda de presión o bomba la cual se introduce en el balde con 2 litros de agua, a su vez también se encuentra un mesclador que se mueve con la ayuda de un motor eléctrico. Estas condiciones externas son consideradas en las ecuaciones como la lera S. la bomba posee dos terminales eléctricas que se conectan por un fino alambre de hierro que entrara en contacto con la muestra. La ignición de este alambre en contacto con el reactante iniciara la combustión, que quemara dentro de la bomba en una bandeja metálica. La bomba está compuesta de dos partes, el cuerpo cilíndrico y una cabeza con rosca y una válvula de cheque que permite el paso del oxígeno a presión de 380 psi. (David P. Shoemaker & Nibler, 1996)

Ilustración 1 (David P. Shoemaker & Nibler, 1996)

El propósito de la chaqueta adiabática es la de igualar la temperatura del balde en el que se encuentra la bomba con agua, para evitar la fuga de calor al exterior por conducción o radiación. El calorímetro cuenta con un sistema que circula agua por la chaqueta controlando automáticamente la temperatura para que sea igual a la del balde. El uso de esta chaqueta debe en principio eliminar la necesidad de extrapolar los valores de la temperatura, sin embargo pueden haber

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13 errores al ajustar la temperatura de la chaqueta durante la prueba sin embargo el equipo Par tiene una alta precisión.

La gran ventaja de esta bomba está en el mecanismo de auto sello, la cabeza tiene una rosca mecanizada a precisión para garantizar un sello al ser roscada con el cuerpo cilíndrico presionando un empaque de caucho, y lo que hace más conveniente esta bomba es que se cierra manualmente y el sello se hace automáticamente. Para abrir la

válvula se libera la presión y se podrá abrir manualmente

Ilustración 2 (David P. Shoemaker & Nibler, 1996)

4. Montaje

Una vez conocidas todas las partes de la bomba calorimétrica se debe realizar el montaje adecuado que permita que el experimento sea confiable y repetible. Para este fin se debe hace un montaje estructurado donde se implementaran varios elementos que permitan la realización de la medición del poder calorífico.

I. Temperatura del Balde (bucket)

Se debe controlar la temperatura inicial del balde; el termómetro de precisión inicia a registrar temperatura a los 19°C, sin embargo la norma ASTM D240-09 “Standard test method for heat of combustion of liquid

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14 hydrocarbon fuels by bomb calorimeter” dice que la temperatura de inicio de la prueba debe ser de 20°C.

Para lograr que la temperatura inicial sea la requerida, en el caso de Bogotá, se debe calentar previamente con la ayuda de una resistencia eléctrica como se muestra a continuación:

Fotografía 5 Calentamiento agua

II. Tanques

Al mismo tiempo se debe llevar al temperatura de la chaqueta a esta temperatura, ya que para que la bomba funcione, se debe tener el aislamiento que produce agua a la misma temperatura; para esto se requirió de hacer un control en base de la apertura de las válvulas, adicionalmente se necesita un recipiente con agua caliente, uno con agua fría y uno que tomara el sobrante de agua dentro de la chaqueta y lo retornara al recipiente de agua caliente para un mejor uso del agua.

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Fotografía 6 Tanques de agua

III. Sistema de control de agua en la chaqueta

Este sistema de agua se creó en base al existente en la chaqueta; se decidió hacer una conexión entre las válvulas y dos bombas que inyectaran agua según corresponda, si el equipo requiere agua caliente la válvula correspondiente se abre permitiendo el paso del agua, simultáneamente se activa la bomba adecuada para que esta sea la encargada de inyectar el líquido a el equipo.

La chaqueta cuenta con un par de relevos los cuales son los responsables del funcionamiento de las válvulas, estos relevos están conectados a un termostato el cual sensa constantemente la temperatura del recipiente, este al sentir un cambio en la temperatura manda una señal que energiza la bobina del relevo y deja pasar la corriente a la válvula y abrirla. Observando este sistema se llegó a la conclusión que se podría implementar otros relevos cuya función sería la de encender la bomba correspondiente a la válvula que se active.

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Fotografía 7 Relevo de la bomba

En la fotografía 6 se observa el relevo que se compró para el sistema de las bombas, la bobina del este está conectada a una válvula de tal forma que al pasar corriente por esta la bobina se energiza cerrando el circuito y permite el paso de la corriente de la bomba la cual es entregada por una fuente de voltaje directa ya que las bombas trabajan con este tipo de fuente.

Fotografía 8 Fuente de voltaje directo

Una vez se tiene la forma de energizar la bombas se conecta todo el conjunto eléctrico que consta de 2 relevos, conectados por un lado a la fuente y por el otro a la válvula que le corresponde; el ensamble se observa en la fotografía 9.

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Fotografía 9 Control bombas

Cada uno de los tanques posee una bomba la cual regula el flujo, esta bomba se compró usada debido al tamaño y la limitación del presupuesto, esta corresponde a una bomba que impulsa el agua que limpia el parabrisas en un carro, unidas al sistema por medio de una manguera siliconada.

Fotografía 10 Bombas de flujo

IV. Llenado de la bomba

La bomba debe ser llenada por medio de un regulador que está conectado a la red de oxigeno de la universidad de los Andes, esto debe ser realizado bajo la supervisión del técnico encargado del sistema de gases. Actualmente existe una manguera unida a un tubo de cobre que a su vez está unido a la válvula de llenado de la bomba.

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18 Antes de cerrar la bomba a presión se debe hacer una purga, esto consiste en sacar el aire del recipiente conectando el suministro de oxígeno dejando el regulador de la bomba abierto, de esta forma todo el aire es expulsado y solo queda oxigeno dentro de la bomba. Finalmente se cierra el regulador y se incrementa la presión del equipo.

Fotografía 11 Llenado de la bomba

5. Diseño experimental

I. Medición

La medición es uno de los factores más críticos del experimento, se requiere medir con precisión el cambio de temperatura en el bucket, que se produce por la combustión, y la masa del combustible.

a. Termómetro

Para la medición de temperatura se usa un termómetro de precisión de vidrio que se encuentra en las instalaciones del laboratorio, este tiene una resolución de 0.01°C, lo cual permite encontrar cambios sutiles de temperatura.

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Fotografía 12 Termómetro de precisión

b. Balanza

Para la medición de la masa del combustible se requiere de una balanza de precisión, las cantidades de combustible requeridas para realizar este tipo de pruebas se mide en gramos, por esta razón se requiere una balanza electrónica de precisión ya que una balanza normal no es capaz de detectar con exactitud un cambio tan pequeño ya que no están diseñadas para este tipo de aplicación.

La balanza a utilizar es de aplicación para laboratorios marca OHAUS, esta logra medir cambios de masa con una resolución de 0.0001 gr (OHAUR). La balanza es completamente electrónica y es susceptible a cambio por el movimiento del aire, por esta razón tiene una protección en vidrio que aísla las muestras como se muestra en la fotografía 13:

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20 II. Masa de combustible

La cantidad de combustible está determinado por la cantidad de oxigeno dentro de la bomba calorimétrica, a mayor presión dentro del recipiente se puede quemar una mayor cantidad de combustible; sin embargo el laboratorio de conversión tiene una gran limitación, la red de la universidad funciona a 500 PSI pero el regulador que se encuentra en el laboratorio tiene un máximo de 165 PSI.

La norma habla de una masa que se encuentra entre los 0.9gr y los 1.1gr a una presión de 380 PSI (ASTM, 2009). Debido a la que las instalaciones del laboratorio no están acondicionadas para elevar la presión de la bomba a 380 PSI, la combustión del material no es completa y por tal motivo no se puede aceptar la prueba ya que la combustión debe ser completa, este problema se ilustra en la fotografía 14:

Fotografía 14 Combustión incompleta

Para encontrar la masa adecuada de combustible a usar se realizaron pruebas con diferentes masas con el fin de encontrar una cantidad de combustible con la cual reacción fuera completa y poder aprobar los resultados del experimento. Esta prueba consistió en poner una masa de combustible entre 0.6gr y 0.9gr y revisar los residuos de la explosión sin tener en cuenta los cambios de temperatura; se encontró que la masa de combustible apropiada debe estar entre 0.7gr y 0.8gr. Una combustión completa se observa en la fotografía 15:

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Fotografía 15 Combustión completa

III. Presión de operación

La presión de operación según la norma debe estar en 380 PSI (ASTM, 2009), sin embargo como se mencionó anteriormente no se tiene la capacidad de llegar a esta presión por tal razón se llena al máximo permitido, es decir, 165 PSI. Esto se debe hacer de forma controlada y supervisada en un área libre de grasa, ya que la grasa en contacto con el oxígeno puede generar una llama y provocar un accidente.

IV. Toma de datos

La toma de datos debe hacerse de forma controlada ya que los cambios de temperatura al momento de la ignición varia rápidamente en un corto lapso de tiempo, luego se estabiliza a una temperatura mayor a la de inicio de la prueba. Dado que este no es un proceso ideal, el agitador de la bomba genera pequeños cambios de temperatura antes de la ignición, para esto se debe tomar en intervalos de 1 minuto desde el inicio de la prueba hasta el momento de la ignición para encontrar una taza de cambio antes de la ignición, para poder encontrar una taza adecuada se debe hacer esto durante 5 minutos.

Pasados estos 5 minutos se produce la ignición del combustible, en este momento la temperatura incrementara rápidamente por lo cual se debe hacer una toma de temperatura a los 15, 30, 45, 60, 75, 90 y 105 segundos después de la ignición.

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22 Una vez se tengan estos datos de temperatura, esta empezara a seguir subiendo lentamente, se requiere conocer la pendiente de aumento o disminución de temperatura cuando se está llegando al equilibrio, por esta razón se vuelve a tomar la temperatura en intervalos de 1 minuto durante los siguiente 5 minutos. Una vez se tengan todos los datos se debe obtener una gráfica similar a la que se muestra a continuación:

Ilustración 3 Toma de datos teórica (Shoemaker, 1996)

V. Constante de calibración

La bomba calorimétrica posee una contante de calibración, esta contante o energía equivalente, corresponde a la energía necesaria para subir la temperatura del todo el conjunto de la bomba en 1°C. Esta energía depende de todos los elementos que conforman la bomba, la chaqueta, el bucket, el mezclador, y hasta el agua dentro del equipo; por tal razón es teóricamente muy difícil el cálculo dependiendo de los materiales por ende se utiliza un combustible controlado, es decir, un combustible del cual se conozca su poder calorífico.

El equipo viene de fábrica con un combustible para su uso en la calibración, este es el ácido benzoico, cuyo poder calorífico es de 6313 Cal/gr o 26.47 kJ/gr; la contante se calcula con la siguiente ecuación:

∆ (ASTM, 2009) 5.1 Dónde:

W: Energía equivalente del equipo (kJ/C) H: Poder calorífico del ácido benzoico (kJ/gr) m: Masa del ácido benzoico (gr)

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23 Se debe calcular un cambio de temperatura corregido ya que este no es un proceso idea, es decir, existen perdidas de energía las cuales deben ser corregidas con la siguiente ecuación:

∆

(ASTM, 2009) (5.2)

Dónde:

: Temperatura al momento de la ignición : Temperatura al tiempo

: Tiempo en el cual la tasa de cambio de temperatura se estabiliza durante los últimos 5 minutos

: Tiempo en el cual la elevación de temperatura llega a 60%

: Tasa a la cual se eleva la temperatura durante los 5 minutos anteriores a la ignición

: Tasa a la cual se eleva o decae la temperatura después de estabilizarse

VI. Calculo poder calorífico de los combustibles

Una vez se tiene la energía equivalente de la bomba, esta se requiere para el cálculo del poder calorífico de cualquier combustible sólido o líquido. Este depende a su vez de la misma temperatura corregida al momento de calcular la constante ya que la toma de datos se realiza de la misma forma. El poder calorífico se encuentra con la siguiente ecuación:

∆

(ASTM, 2009) (5.3)

Dónde:

Hg: Calor de combustión o poder calorífico (kJ/gr)

∆ : Cambio de temperatura corregido (C) : Masa de la muestra en gramos (gr)

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6. Procedimiento experimental

Una vez se conoce como es la realización del montaje y el diseño experimental, se puede proceder a la realización de experimento.

1. Para empezar se debe revisar cada uno de los componentes del equipo, que estén en el mejor estado y listas para su uso, la bomba debe estar limpia y sin golpes, el contenedor de las muestras debe encontrase también sin residuos de combustiones anteriores. Revisar que el sistema de control de la chaqueta esté en funcionamiento (bombas de los tanques, reóstato, y válvulas solenoides)

2. Se debe hacer la prueba de calibración primero por tal motivo se debe pesar con ayuda de la balanza electromagnética de precisión, que se encuentra en el laboratorio de materiales, varias muestras de ácido benzoico, estas muestras deben tener una masa entre los 0.7 gr y los 0.9 gr. Se debe tener en cuenta que esta balanza tiene una precisión de 0.0001gr por lo cual se debe tomar en condiciones contraladas y sin presencia de viento ya que estas condiciones afectan al momento de pesar la muestra.

Antes de medir la muestra, colocar un papel sobre la balanza para evitar daños sobre la misa y poder sacar el combustible sin perder masa al moverlo. Una vez se coloca el papel sobre la balanza se calibra en 0 gr y se procede a verter o remover el ácido benzoico hasta el valor requerido.

En este caso debe ser removido ya que el ácido viene en presentación de pastillas comprimidas de aproximadamente 1 gr cada una, por esta razón se debe remover algo de masa con la ayuda de un bisturí o cuchillo sin pulverizar la pastilla.

3. Prepara la muestra entre los electrodos de la bomba, para esto se requiere unir los electrodos por medio de una hilo de hierro, que viene con el equipo, de la misma forma este hilo es el responsable de la ignición del material por tal motivo debe estar en contacto con el combustible en todo momento.

4. Una vez se tiene el hilo entre los electrodos y en contacto con el combustible se procede a ensamblar la bomba, esta se debe cerrar de forma manual, no se deben usar herramientas ya que tiene un sistema auto

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25 sellante, además debe hacerse de forma manual no se debe usar ningún tipo de herramienta

5. Se conecta la válvula de la bomba al regulador del laboratorio, se debe asegurar que no halla fugas y que no se doble la manguera de oxígeno.

6. Antes de hacer el llenado de la bomba se tiene que asegurar que el contenido sea solo oxígeno, por esta razón se hace una purga, la cual consiste en sacar el aire restante en la bomba.

La bomba tiene un regulador el cual para la purga debe estar abierto completamente; se inicia la inyección de oxígeno con el regulador abierto, esto hace que el aire salga por desplazamiento, la purga se debe hacer por 3 segundos y se procede a cerrar el regulador sin interrumpir la inyección del oxígeno, este si requiere de una llave Bristol para asegurar que quede correctamente cerrada y sin fugas.

7. Llenar la bomba con oxígeno a una presión de 165 PSI, esto lo debe realizar el técnico encargado del oxígeno de la Universidad. Debe pedirse una reserva con anterioridad para poder hacer uso de este servicio.

8. Calentar el tanque de agua caliente con la ayuda de la resistencia eléctrica hasta alcanzar una temperatura entre los 30 y 40 grados centígrados, la resistencia es conectada a un reóstato, esto permite variar el voltaje sobre la resistencia y calentar más rápidamente o mantener la temperatura del tanque casi constante; este proceso puede durar entre 5 a 20 minutos dependiendo del voltaje en la resistencia el cual puede variar entre los 0 y 110 voltios.

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Fotografía 16 Reóstato

9. Encender el equipo y dejar que estabilice la temperatura dentro de la chaqueta. En el caso de Bogotá este proceso debe hacerse 30 minutos antes del inicio de la prueba, ya que la temperatura del ambiente es de alrededor de 16°C y el experimento debe realizarse a una temperatura de aproximadamente 20°C

10. Para asegurar que la temperatura dentro de la chaqueta sea la deseada (20°C +/- 2°C), la chaqueta cuenta con un ajustador de temperatura en el cual se pone el “set point” o punto de operación de temperatura dentro del equipo, un par de termocuplas censan continuamente la temperatura, al detectar un cambio en la temperatura de set point, abren o cierran las válvulas solenoides para regular la temperatura medio de ingresar agua caliente o fría.

También posee un interruptor de dos posiciones, Run y Purgue; mientras se realiza la prueba este interruptor debe estar en posición de Run para que se activen las dos válvulas.

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Fotografía 17 Control temperatura chaqueta

11. Tomar agua de la llave y calentar con ayuda de la resistencia hasta llegar a una temperatura de 20°C, esta es el agua que se usará en el balde.

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28 12. Verter 1900 ml de agua del agua previamente calentada a 20°C al bucket,

la cual será la temperatura de inicio de la prueba

13. Sumergir la bomba dentro del bucket y realizar la conexión de los electrodos

14. Cerrar el equipo y dejar que mezcle hasta que la temperatura dentro del bucket este en equilibrio

Fotografía 19 Montaje antes de inicio del experimento

15. Se debe realizar una comprobación de la temperatura dentro del tanque para garantizar que este dentro de los rangos aceptables, por tal motivo se debe medir contantemente el agua a la salida de la manguera del tanque de retorno con la ayuda de una termocupla conectada a un medidor de temperatura.

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Fotografía 20 Medidor de temperatura

16. Realizar la toma de datos descrita en el diseño experimental (pág. 22)

17. Abrir el equipo y retirar la bomba

18. Despresurización de la bomba, esto se hace abriendo el regulador previamente sellado con la llave Bristol, permitir que todos los gases se liberen antes de abrir la bomba.

19. Apertura de bomba

20. Revisar la combustión, tener en cuenta que no deben quedar residuos del combustible, deben haber residuos de agua y CO2 al momento de abrir la bomba, si la combustión no es completa se debe descartar la prueba y repetir el experimento.

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Fotografía 21 Combustión adecuada.

21. Una vez se comprobó la combustión y se halla aprobado el experimento, se debe limpiar la bomba, no deben quedar residuos de la combustión anterior, ni gases dentro de esta; antes de proceder a realizar otra prueba se debe asegurar que no existe ningún contaminante y que no hay agua dentro o fuera de la bomba.

22. Repetir el experimento cuantas veces sea necesario hasta encontrar el valor de la contante o energía equivalente del equipo

23. Una vez se tiene la constante de debe repetir la prueba sustituyendo en el paso 2 el ácido benzoico por el combustible en el caso de un combustible sólido

24. En caso de un combustible líquido se debe usar la misma balanza para su medición, se debe colocar el papel sobre la balanza para evitar contaminación sobre la misma, y pesar el papel con la capsula a usar antes de agregarle el combustible, una vez se hace esto cuadrar la balanza en 0gr. Se procede a llenar con la ayuda de un gotero el combustible dentro de la capsula hasta llegar a una masa entre 0.5 y 0.7 gramos de combustible líquido, en este caso gasolina o ACPM.

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7. Resultados

Una vez se tiene los datos de cada una de las pruebas se obtienen resultados para la calibración con la cual se calcula la constante o energía equivalente del equipo, paso siguiente se muestran los resultados de cada uno de los combustibles utilizados.

I. Calibración

La toma de datos descrita en el diseño experimental arroja como resultado una tabla de tiempo vs temperatura, esta muestra el cambio de temperatura en segundos del agua del bucket, esto con el fin de encontrar la energía que entrega el combustible.

Para realizar una prueba confiable se debe hacer más de un experimento de calibración para encontrar un promedio y tener un valor más confiable, por esta razón se realizaron 3 experimentos con ácido benzoico y los resultados se observan a continuación:

a. Primera prueba de calibración:

La masa del ácido benzoico en esta prueba es de 0.8212 gr, a una presión de 165 PSI.

Gráfica 1 Calibración 1

23.6 23.6123.6223.6323.64 24.7

25.225.22 25.4425.5925.61

25.6725.6725.6825.8525.94

26 26

23 23.5 24 24.5 25 25.5 26 26.5

‐80 20 120 220 320 420 520 620 720 820

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(33)

32 En la gráfica 1 se observa el comportamiento esperado en la ilustración 3, del diseño experimental, de esta gráfica se deben resaltar sus tres partes principales:

Pendiente inicial:

Gráfica 2 Pendiente antes de ignición

Pendiente después de punto máximo:

Gráfica 3 Pendiente después de punto máximo

De estas graficas se sacan los valores de R1 y R2 del cambio de temperatura corregida (ecuación 5.2), las otras condiciones del experimento se muestran en la siguiente tabla:

y = 0.0001x + 23.603 R² = 0.9389

23.595 23.6 23.605 23.61 23.615 23.62 23.625 23.63 23.635 23.64 23.645

0 50 100 150 200 250

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

y = 0.0017x + 24.945 R² = 0.9516

25.6 25.7 25.8 25.9 26 26.1 26.2 26.3 26.4 26.5

400 500 600 700 800 900

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(34)

33

Tabla 1 Temperatura corregida

Una vez se tiene el valor de la temperatura corregida para estas condiciones experimentales se procede a hacer el cálculo de la constante o energía equivalente del equipo con la ecuación 5.1, despejando la ecuación se obtiene:

b. Segunda prueba de calibración

Ta 23.67 °C

Tc 26

τc 10.5 min

Tb 23.9 °C

τo 4.25 min

τb 4.5 min

R1 0.006 °C/min

R2 0.102 °C/min

ΔT 1.754 °C

w 12.39 kJ/C

22.3122.3822.39 22.422.4122.43 22.5

22.8 23.2

23.6 23.8

24 24.16

24.5 24.5324.5824.5924.6

22 22.5 23 23.5 24 24.5 25

‐100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temp

eratura

°C

Tiempo (s)

(35)

34 Pendiente inicial:

y = 0.0003x + 22.337 R² = 0.8203

22.3 22.32 22.34 22.36 22.38 22.4 22.42 22.44 22.46

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

y = 0.0004x + 24.307 R² = 0.9135

24.48 24.5 24.52 24.54 24.56 24.58 24.6 24.62

400 450 500 550 600 650 700 750

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(36)

35

c. Tercera prueba de calibración

Ta 22.43 °C

Tc 24.53 °C

τc 8.75 min

Tb 23.6 °C

τo 5 min

τb 6 min

R1 0.018 °C/min

R2 0.024 °C/min

ΔT 2.0835 °C

w 9.72 kJ/C

22.44 22.45 22.50 22.50 22.50 22.5222.60

22.80

23.20

23.60

23.90

24.1024.20

24.30 24.40

24.50 24.60 24.62

22.00

22.50

23.00

23.50

24.00

24.50

25.00

‐100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(37)

y = 0.0003x + 22.446 R² = 0.8391

22.42

22.44

22.46

22.48

22.50

22.52

22.54

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

y = 0.0014x + 23.665 R² = 0.965

24.25

24.30

24.35

24.40

24.45

24.50

24.55

24.60

24.65

24.70

400 450 500 550 600 650 700 750

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(38)

37

Una vez se tienen las tres pruebas de calibración con el ácido benzoico, para lograr una mayor confiabilidad se hace un promedio con todas las pruebas y este resultado será el que se use para el cálculo del poder calorífico de los combustibles.

II. Primer combustible (Bagazo)

El primer combustible al cual se le quiere medir el poder calorífico es el bagazo, este es un combustible sólido, hecho en base de residuos del proceso de la caña, al tener una gran industria azucarera en el país, este es un combustible que se usa mucho para hornos de madera en el agro colombiano. El experimento se realiza de igual forma que en la calibración por lo tanto se tienen las mismas consideraciones del cálculo de la constante del equipo.

Ta 22.52 °C

Tc 24.4 °C

τc 8.75 min

Tb 23.60 °C

τo 5 min

τb 6 min

R1 0.018 °C/min

R2 0.084 °C/min

ΔT 1.6985 °C

w 11.75 kJ/C

(39)

38

a. Primera prueba bagazo

La masa del bagazo en esta prueba es de 0.8650 gr, a una presión de 165 PSI.

Gráfica 10 Bagazo 1

Pendiente inicial:

20.34 20.4 20.420.4420.48 20.5 20.6

21.1 21.4

21.5821.6721.72

21.8 21.8221.95

22.05 22.122.16

20 20.5 21 21.5 22 22.5

‐100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

Temperatura

bucket

(°C)

y = 0.0005x + 20.35 R² = 0.9613

20.3 20.35 20.4 20.45 20.5 20.55

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(40)

39 Pendiente después de punto máximo:

Una vez se tiene el valor de la temperatura corregida para estas condiciones experimentales se procede a hacer el cálculo del poder calorífico como se describe en la ecuación 5.3, despejando la ecuación se obtiene:

y = 0.0014x + 21.207 R² = 0.9605

21.8 21.85 21.9 21.95 22 22.05 22.1 22.15 22.2 22.25

400 450 500 550 600 650 700 750

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

Ta 22.52 °C

Tc 24.4 °C

τc 8.75 min

Tb 23.60 °C

τo 5 min

τb 6 min

R1 0.018 °C/min

R2 0.084 °C/min

ΔT 1.6985 °C

16.81

kJ/gr 16.805.05

kJ/kg

(41)

40

b. Segunda prueba bagazo

Pendiente inicial:

21.74 21.78 21.80 21.80 21.80 21.81

22.10

22.54

22.82

23.1023.2023.2223.24

23.40 23.45 23.48 23.52

23.56

21.50

22.00

22.50

23.00

23.50

24.00

‐90 10 110 210 310 410 510 610 710

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

Temperatura

bucket

(°C)

y = 0.0002x + 21.759 R² = 0.7314

21.73

21.74

21.75

21.76

21.77

21.78

21.79

21.80

21.81

21.82

21.83

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(42)

y = 0.0007x + 23.102 R² = 0.9954

23.38

23.40

23.42

23.44

23.46

23.48

23.50

23.52

23.54

23.56

23.58

400 450 500 550 600 650 700 750

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

Ta 21.81 °C

Tc 23.45 °C

τc 8.75 min

Tb 22.82 °C

τo 5 min

τb 5.75 min

R1 0.012 °C/min

R2 0.042 °C/min

ΔT 1.55 °C

18.31

kJ/gr 18.309.92

kJ/kg

(43)

42

c. Tercera prueba bagazo

Pendiente inicial:

21.80 21.80 21.80 21.80 21.82 21.89

22.10

22.25

22.60

22.8022.88

22.9523.01

23.25 23.30 23.33 23.35

23.38 21.60 21.80 22.00 22.20 22.40 22.60 22.80 23.00 23.20 23.40 23.60

‐100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

Temperatura

bucket

(°C)

y = 0.0007x + 21.657 R² = 0.9067

21.78 21.80 21.82 21.84 21.86 21.88 21.90

150 200 250 300 350

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(44)

Con estas 3 pruebas se encuentra el promedio, de igual forma que en la calibración, para lograr una mayor confiabilidad sobre estos resultados.

y = 0.0005x + 23.02 R² = 0.9727

23.24

23.26

23.28

23.30

23.32

23.34

23.36

23.38

23.40

450 500 550 600 650 700 750

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

Ta 21.89 °C

Tc 23.3 °C

τc 8.75 min

Tb 22.80 °C

τo 5 min

τb 6 min

R1 0.042 °C/min

R2 0.03 °C/min

ΔT 1.443 °C

18.75

kJ/gr 18.745.05

kJ/kg

Hg

(45)

44 III. Segundo combustible (ACPM)

En Colombia el ACPM es uno de los combustibles más usados, este se usa para todo los vehículos de carga, los cuales movilizan todos los recursos del país y también por su precio se adaptaron unos vehículos particulares con motor Diesel.

a. Primera prueba ACPM

La masa del ACPM en esta prueba es de 0.7161 gr, a una presión de 160 PSI.

Gráfica 19 ACPM 1

21.49 21.50 21.50 21.51 21.52 21.5421.80

22.20

22.80

23.40

23.90

24.2024.40

24.62

24.95 25.05 25.11 25.16

21.00

21.50

22.00

22.50

23.00

23.50

24.00

24.50

25.00

25.50

‐100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura

(°C)

Tiempo(s)

(46)

y = 0.0002x + 21.487 R² = 0.9143

21.48

21.49

21.50

21.51

21.52

21.53

21.54

21.55

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

y = 0.0021x + 23.769 R² = 0.8326

24.50

24.60

24.70

24.80

24.90

25.00

25.10

25.20

25.30

450 500 550 600 650 700 750

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(47)

46

b. Segunda prueba ACPM

Ta 21.54 °C

Tc 24.95 °C

τc 8.75 min

Tb 23.40 °C

τo 5 min

τb 6 min

R1 0.012 °C/min

R2 0.126 °C/min

ΔT 3.0965 °C

48.80

kJ/gr 48.801.98

kJ/kg

Hg

21.15 21.17 21.19 21.20 21.20 21.2121.24

21.60

22.50

23.00

23.40

23.80

24.12 24.21

24.50 24.65 24.70 24.75

20.50 21.00 21.50 22.00 22.50 23.00 23.50 24.00 24.50 25.00

‐100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(48)

y = 0.0002x + 21.158 R² = 0.9023

21.14

21.15

21.16

21.17

21.18

21.19

21.20

21.21

21.22

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

y = 0.0002x + 21.158 R² = 0.9023

21.14

21.15

21.16

21.17

21.18

21.19

21.20

21.21

21.22

0 50 100 150 200 250 300 350

Tiemperatura

(°C)

Tiempo (s)

(49)

48

c. Tercera prueba ACPM

Ta 21.21 °C

Tc 24.65 °C

τc 9.75 min

Tb 23.40 °C

τo 5 min

τb 6.25 min

R1 0.012 °C/min

R2 0.126 °C/min

ΔT 3.041 °C

48.34

kJ/gr 48.339.05

kJ/kg

Hg

20.10 20.10 20.11 20.12 20.13 20.1320.2020.30

20.90

21.6021.82

22.30

22.90

23.50 23.69 23.78 23.80

23.82 19.50 20.00 20.50 21.00 21.50 22.00 22.50 23.00 23.50 24.00 24.50

‐100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(50)

y = 0.0001x + 20.097 R² = 0.9398

20.10

20.11

20.12

20.13

20.14

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

y = 0.0013x + 22.987 R² = 0.8119

23.45

23.50

23.55

23.60

23.65

23.70

23.75

23.80

23.85

23.90

450 500 550 600 650 700 750

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(51)

50

d. Cuarta prueba ACPM

Ta 20.13 °C

Tc 23.78 °C

τc 9.75 min

Tb 22.30 °C

τo 5 min

τb 6.5 min

R1 0.006 °C/min

R2 0.078 °C/min

ΔT 3.416 °C

53.12

kJ/gr 53.117.91

kJ/kg

Hg

20.85 20.86 20.87 20.87 20.88 20.8920.98

21.40 22.15 22.78 23.20 23.51 23.85

24.22 24.40

24.55 24.62 24.62

20.50 21.00 21.50 22.00 22.50 23.00 23.50 24.00 24.50 25.00

‐100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(52)

y = 0.0001x + 20.851 R² = 0.9657

20.85

20.86

20.87

20.88

20.89

20.90

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

y = 0.0017x + 23.488 R² = 0.8811

24.10

24.20

24.30

24.40

24.50

24.60

24.70

24.80

450 500 550 600 650 700 750

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(53)

52

Ta 20.89 °C

Tc 24.55 °C

τc 9.75 min

Tb 23.20 °C

τo 5 min

τb 6.25 min

R1 0.006 °C/min

R2 0.102 °C/min

ΔT 3.324 °C

50.25

kJ/gr 50.247.34

kJ/kg

Hg

(54)

53 IV. Tercer Combustible (Gasolina)

Colombia es un país productor extractor de petróleo, por lo cual el comparar la cantidad de energía que se puede obtener de sus derivados es importante para poder saber la calidad del producto. Se quiere comparar el poder calorífico de dos combustibles fósiles por esta razón se elige la gasolina como tercer y final combustible.

a. Primera prueba gasolina

Gráfica 31 Gasolina 1

20.70 20.72 20.73 20.78 20.79 20.95

21.80

22.4022.62

23.00

23.3023.4023.49

23.75 23.93 23.98 24.00

24.10

20.00

20.50

21.00

21.50

22.00

22.50

23.00

23.50

24.00

24.50

‐100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(55)

y = 0.0004x + 20.696 R² = 0.9412

20.68

20.70

20.72

20.74

20.76

20.78

20.80

0 50 100 150 200 250 300

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

y = 0.0013x + 23.201 R² = 0.8945

23.70

23.75

23.80

23.85

23.90

23.95

24.00

24.05

24.10

24.15

450 500 550 600 650 700 750

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(56)

55

b. Segunda prueba gasolina

Ta 20.95 °C

Tc 23.98 °C

τc 9.75 min

Tb 22.62 °C

τo 5 min

τb 5.75 min

R1 0.024 °C/min

R2 0.078 °C/min

ΔT 2.814 °C

48.51

kJ/gr 48.508.94

kJ/kg

Hg

20.25 20.26 20.26 20.27 20.27 20.27

20.65

21.25

21.8021.95

22.3022.4022.50

22.65 22.83

22.88 22.91 22.93

20.00

20.50

21.00

21.50

22.00

22.50

23.00

23.50

‐100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(57)

y = 7E‐05x + 20.253 R² = 0.84

20.25

20.26

20.27

20.28

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

y = 0.0011x + 22.216 R² = 0.8063

22.60

22.65

22.70

22.75

22.80

22.85

22.90

22.95

23.00

450 500 550 600 650 700 750

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(58)

57

c. Tercera prueba gasolina

Ta 20.27 °C

Tc 22.88 °C

τc 9.75 min

Tb 21.80 °C

τo 5 min

τb 5.75 min

R1 0.0042 °C/min

R2 0.066 °C/min

ΔT 2.3628 °C

48.92

kJ/gr 48.920.49

kJ/kg

Hg

20.20 20.21 20.21 20.21 20.21 20.2220.23

20.85

21.55

21.8822.05

22.20

22.50 22.71

22.80 22.85 22.88 22.90

20.00

20.50

21.00

21.50

22.00

22.50

23.00

23.50

‐100 0 100 200 300 400 500 600 700 800

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

(59)

y = 5E‐05x + 20.203 R² = 0.7143

20.20

20.21

20.22

20.23

0 50 100 150 200 250 300 350

Temperatura

(°C)

Tiempo (s)

T

(°C)

y = 0.0008x + 22.38 R² = 0.9168

22.65

22.70

22.75

22.80

22.85

22.90

22.95

450 500 550 600 650 700 750

Título

del

eje

Título del eje

(60)

59

Ta 20.22 °C

Tc 22.85 °C

τc 9.75 min

Tb 21.88 °C

τo 5 min

τb 6 min

R1 0.003 °C/min

R2 0.048 °C/min

ΔT 2.46125 °C

50.23

kJ/gr 50.230.86

kJ/kg

Hg

(61)

60

8. Análisis de resultados

Una vez se tienen los resultados de cada uno de los experimentos se puede comparar cada uno de los experimentos y encontrar el valor teórico de los combustibles probados para comprobar la confiabilidad de los resultados.

Tabla 14 Comparación bagazo

La tabla 14 muestra un resumen de los resultados del bagazo y se comparan con el valor teórico, el cual se encuentra entre los 10.5 kJ/gr y los 19.2 kJ/gr dependiendo de la cantidad de agua que se encuentra en la muestra.

Tabla 15 Comparación ACPM

La tabla 15 de igual forma muestra el resumen y lo compara con el dato teórico para combustibles fósiles, se observa que los resultados están en el rango de poder calorífico de este tipo de combustible.

Tabla 16 Comparación gasolina

prueba Combustible Poder Calorifico (kJ/gr)

Poder Calorifico

Teorico (kJ/gr)

1 Bagazo 16.81 2 Bagazo 18.31 3 Bagazo 18.75

Promedio 17.95

10.5 a 19.2

Teorico (kJ/gr)

1 ACPM 48.80 2 ACPM 48.34 3 ACPM 53.12 4 ACPM 50.25

Promedio 50.13

43 a 50

Teorico (kJ/gr)

1 Gasolina 48.51 2 Gasolina 48.92 3 Gasolina 50.23

Promedio 49.22

(62)

61 La gasolina al igual que el ACPM posee un valor similar de poder calorífico con la diferencia de que esta requiere más oxígeno por masa para lograr una combustión completa. Las muestras de gasolina son aproximadamente un 10% menos masa y aumenta más la temperatura corregida, pero estas dos situaciones simultaneas hacen que el poder calorífico de los dos combustibles sea muy similar como se espera ya que los dos son combustibles fósiles.

9. Conclusiones

1. La máquina después de hacer la restauración de las piezas y la adecuación del sistema de control está en capacidad de:

• Regular la temperatura de la chaqueta aislante.

• Encontrar el poder calorífico de cualquier combustible sólido o líquido.

2. Se entrenó al personal del laboratorio en el desarrollo de la prueba para su futura implementación

10. Sugerencias

1. Mejorar la operación sistema de control con la adición de una termocupla que controle automáticamente la temperatura del tanque de agua caliente 2. Comprar e instalar un regulador de presión de mayor capacidad ya que con

el actual no se puede llegar a la presión requerida para la combustión de una mayor masa de combustible

3. Realizar la medición de otros materiales para comprobar la confiablidad de los resultados de la bomba

4. Comprar una bomba de la marca Parr para tener el equipo en su totalidad del mismo fabricante

5. Cambiar la ubicación actual del equipo hacia el lado del depósito del laboratorio de conversión, adecuarle un acceso a la red de oxígeno y señalizar como área libre de grasa

(63)

62

11. Bibliografía

Amer., F. D. (1916). Chem Soc 38, 1473.

ASTM. (2009). Standard test method for heat of combustion of liquid hydrocarbon fuels by bomb calorimeter.

Co., P. I. (n.d.). Oxygen bomb calorimetry and combustion methods.Tech manual 130.

David P. Shoemaker, C. W., & Nibler, J. W. (1996). Experiments in physical chemistry. McGraw-Hill.

Handbook of chemistry and physics. (1994). Boca raton, Fla : CRC Press. OHAUR. (n.d.). Balanzas Adventurer pro manual de instrucciones. Pine Brook,

New Jersey.

Polik, W. (1997). Bomb Calorimetry.

Shoemaker, D. P. (1996). Experiments in physical chemistry. McGraw-Hill.

(64)

DRAWN CHECKED ENG APPR MGR APPR

TODAS LAS DIMENSIONES Y TOLERANCIAS ESTÁN EN mm Y SIGUEN LAS ESPECIFICACIONES DE PRODUCCIÓN DE LA EMPRESA PARR.

NOMBRE

EFRAIN

FECHA

06/16/14

Universidad de los Andes

TITULO _ENSAMBLE

CALORÍMETRO ADIABÁTICO PARR 335-ELM-10018 SIZE

A2 NOMBRE ARCHIVOLISTA DE PIEZAS – 1 REV1

DEPTO. ING. MECÁNICA

ESCALA: 1:5 PESO: 120 kg aprox. PLANO 1 de 2

REVISION HISTORY

REV DESCRIPTION DATE APPROVED

1 1

5 1

2 1

8 1

3 1

7 1

6 1

4 1 Item Nombre del Componente Cantidad

1 BASE 1

2 BASE BOMBA 1 3 PANEL DE CONTROL 1 4 CIRCUITO BOMBAS 1 5 TAPA BOMBA 1 6 SOPORTE INSTRUMENTOS 1 1 7 SOPORTE INSTRUMENTOS 2 1 8 CONTENEDOR BOMBA 1