UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA EAP: INGENIERÍA QUÍMICA DEL GAS NATURAL Y ENERGIA E INGENIERÍA QUÍMICA AMBIENTAL
CÁTEDRA:
TERMODINAMICA I
CODIGO: 053B
TEMA:
TRABA TRABAJO JO DE DE APLI APLICA CACI CI N DE LAS LAS LEYE LEYES S DE DE LA TERMODINÁMICA EN EL SAUNA “EL OASIS” CATEDRÁTICO: Ing. WALTER S. FUENTES LOPEZ PRESENTADO POR:
ALDABA AGUILAR, Gresly Fiorella
EAP: GNYE COD:2011100755I
CANO TOCAS, Walter Erick
EAP: GNYE COD:2011120786D
ORE MATOS, Katherine Alexandra
EAP: GNYE COD: 2011200621C
SANTIVAÑEZ HUARCAYA, Juan Carlos
EAP:GNYE COD:2011200517B
SEMESTRE
:
V Huancayo-2014
INTRODUCCIÓN El estudio de calderas es un campo de gran interés para la Ingeniería Química, en el cual convergen muchos de los fenómenos físicos y químicos en el proceso de transformación de un tipo de energía a otra/s. Por ello el estudio de una caldera artesanal de tipo piro tubular con la finalidad de aplicar la primera y segunda ley de la Termodinámica en el caldero, para lo cual se identificó el tipo de caldero a estudiar, se realizó un balance de materia y energía y se determinó la eficiencia real con la que trabaja. Para realizar esta práctica hemos acudido al lugar de la sauna para realizar las mediciones correspondientes, como son las medidas del caldero, presión, temperatura y la cantidad de leña que utilizan. Posterior a ello se hicieron los cálculos de balance de materia y energía. El informe está dividido en tres partes: Primero la presentación de los objetivos generales y específicos, en segundo lugar en el fundamento teórico el cual contiene los conceptos y bases teóricos del tema a tratar, en tercer lugar la parte del método procedimental y por último los resultados obtenidos. Finalmente esperamos que este trabajo sea de su agrado y le resulte útil.
Los autores
I.
RESUMEN
El presente trabajo aplicativo, se realizó en la sauna “La Salud”,
establecimiento que nos prestó ayuda para poder estudiar y hacer las mediciones en su caldero artesanal de tipo piro tubular. Nuestro objetivo fue aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica. Un caldero, al cual se le aplica el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, en estudio es la leña, se encargan de vaporizar el agua. Así mismo cuenta con cuenta una superficie lo suficientemente grande, como para permitir una buena transferencia de calor para que la combustión se realice de la forma más eficiente posible y también de un modo tal, que las pérdidas en calor sean lo más pequeñas, para así, obtener el máximo rendimiento. Para poder realizar el análisis de la caldera se hicieron los balances de materia y energía con los datos medidos y teóricos; aplicando la primera y segunda ley de la termodinámica.
II.
OBJETIVOS:
a. OBJETIVO GENERAL: Objetivos General
Aplicar la primera y segunda ley de la Termodinámica en el caldero del sauna “La Salud”
Objetivos Específicos
III.
Identificar el tipo de caldera a estudiar
Realizar un balance de masa y energía, en el sistema.
Determinar la eficiencia real con que trabaja el caldero.
FUNDAMENTO TEÓRICO: a. MARCO TEÓRICO: A. PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA PARA UN SISTEMA QUE CUMPLE CON UN CAMBIO DE ESTADO Energía almacenada en un sistema E: Esta energía puede estar presente en una variedad de formas: Energía Cinética: Debida al traslado de las moléculas. EC Energía Potencial: Debida a las acciones mutuas de atracción o de repulsión entre las moléculas. EP Energía Interna: Está asociada con la estructura interna de la materia. U De esta forma se puede expresar la energía almacenada, como la suma de l a energía cinética, la energía potencial y la energía interna.
Para enunciar la primera ley para un sistema que cumple con un cambio de estado, se considera el siguiente sistema mostrado.
GRAFICA Nº1: Sistema cerrado que cumple con un cambio de estado.
El sistema mostrado en la gráfica nº1, posee inicialmente una energía almacenada E 1, pero debido a una interacción con el medio exterior, el sistema es obligado a cambiar a otro estado en donde la energía almacenada es E 2. Haciendo un balance de energía, se puede decir que la energía almacenada E2, debe ser igual a la suma de la energía almacenada E1 más la energía que entra al sistema menos la energía que sale del sistema. Este balance se puede escribir de la siguiente forma:
Arreglando los términos
Observe que el signo negativo que acompaña al calor Q s,, es el signo que le corresponde por ser un calor que sale, mientras el signo negativo que acompaña al trabajo W e , es el signo que le corresponde por ser trabajo que entra. En general, la ecuación se puede escribir como:
Esta ecuación corresponde a la primera le y para un sistema cerrado que cumple un cambio de estado. Cuando se haga la sustitución de los calores y los trabajos en las sumas, se debe tomar en cuenta la convención de signos escogida.
En la mayoría de los casos, las variaciones de la energía cinética y potencial son despreciables, por lo que la ecuación de la primera ley se puede expresar únicamente en función de la energía interna.
Tanto la energía almacenada E, como la energía interna U, son propiedades y como tales se evalúan dentro del sistema. Tienen como unidades las mismas unidades del calor y el trabajo pero no se evalúan en los límites del sistema.
B. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA La segunda ley de la termodinámica es un principio general que impone restricciones a la dirección de la transferencia de calor, y a la eficiencia posible en los motores térmicos. De este modo, va más allá de las limitaciones impuestas por la primera ley de la termodinámica. Sus implicaciones se pueden visualizar en términos de la analogía con la cascada Definición de Kelvin-Planck “Es imposible construir un aparato que opere ciclicamente, cuyo único efecto sea absorv er calor de una fuente de temperatura y conv ertirlo en una cantidad
equivalente de trabajo”.
GRAFICA Nº2: Ilustración del enunciado de Kelvin Planck
Definición de Clausius “Es imposible construir un aparato que opere en un ciclo cuyo único efecto sea transferir calor desd e una fuente de baja temp eratura a otra de temp eratura
mayor”.
GRAFICA Nº3: Ilustración del enunciado de Clausius C. BALANCE DE LA MATERIA El objetivo de hacer un balance de materia es llegar a conocer los caudales y composiciones de las distintas corrientes de entrada y salida de un sistema y las cantidades totales y composiciones que están en el interior de mismo en un momento dado. Las ecuaciones correspondientes al balance de materia constituyen una de las herramientas matemáticas más útiles de la ingeniería química. De hecho, su utilización resulta casi imprescindible para el estudio de cualquier proceso u operación unitaria, y existen un gran número de problemas que pueden resolverse mediante su conveniente explicación. Los balances de materia son de hecho, una generalización de la ley de la conservación de la materia a sistemas abiertos, esto es, sistemas con posibles
entradas y/o posibles salidas de materia al exterior. Su utilidad en el campo industrial es muy amplia, y en general su complejidad matemática es escasa. En forma más general, el balance de materia se puede representar por medio de la siguiente ecuación:
ENTRADA mal SALIDA
mal
PRODUCCIÓN mat ACUMULACIÓ N mat
b. MARCO CONCEPTUAL: A.
SAUNA
La sauna es un baño de vapor o sudoración que se realiza en un recinto a muy alta temperatura. La palabra puede ser utilizada tanto en femenino como en masculino. Dependiendo de la humedad relativa dentro del recinto la sauna puede ser húmeda o seca. La sauna tiene efectos beneficiosos sobre el organismo, al liberar, mediante sudoración, que suele ser abundante y rápida, toxinas y activar la circulación sanguínea. Siempre va acompañada con contrastes de temperatura, a la sesión de calor le sigue una de enfriamiento, que amplía los efectos de la sudoración. Se toma con fines higiénicos y terapéuticos. Cuando se habla simplemente de "sauna" se hace referencia, normalmente, a la sauna seca. Tipos de sauna Sauna húmeda o baño turco Oscila sobre los 55 °C con una humedad relativa que ronda el 100%. Originalmente es un sistema de salas de calor a diferentes temperaturas. Son tres salas que se escalonan en su temperatura, la primera está a 25 °C, la segunda a 40 °C y la tercera a casi 60 °C. Se combinan calor seco y calor húmedo, con frío y masajes, proporcionando unos beneficios muy parecidos a los de la sauna finlandesa aunque con menos exigencias e impacto. Las exigencias físicas son importantes. Está contraindicado a las personas hipertensas o con trastornos circulatorios o cardiacos. Siempre hay que realizar una consulta médica antes de comenzar a utilizarlos. Sauna seca o finlandesa La sauna seca es de origen finlandés (2 millones de saunas para 5,2 millones de habitantes) y esta práctica es muy habitual en Escandinavia, donde la temperatura en el interior llega a 70-100 °C y la desnudez es natural y casi obligatoria.
El interior de las saunas secas está revestido de madera y las cabinas de sauna están calentadas por leña o electricidad. Los motivos higiénicos están presentes en los orígenes de la sauna, en todos los documentos tanto escritos como orales hay referencia exclusiva a la misma. El concepto de higiene de sauna hace referencia a la eficacia de la sauna en conseguir una higiene de la piel muy eficiente prácticamente sin jabón. La transpiración que se produce, muy profunda, hace que se abran todos los poros y que se elimine el sebo, las toxinas y las bacterias. Elementos de una sauna Los elementos que conforman una sauna son la cabina y la estufa. Luego están los que sirven para la refrigeración del cuerpo, que suelen ser normalmente recintos de baño, en algunos casos naturales como ríos y lagos o piscinas y bañeras. Lo habitual en muchos países es que el enfriamiento se realice mediante una ducha fría.
La cabina
La cabina tradicional es un recinto de madera que posee varios bancos a diferentes alturas y una estufa cubierta de piedras que caldea el recinto y permite producir vapor al arrojar agua sobre ellas. Los antiguos suomis y samis ya tenían en su vocabulario la palabra "sauna" y hay constancia que solían realizar sesiones de sauna en unos baños ocasionales que consistían en una estufa que calentaba un montón de piedras donde arrojaban agua cubriendo el conjunto con una cubierta ocasional. Se cree que en los hogares primitivos, de la edad de piedra hace más de 6.000 años ya se realizaban prácticas similares. Entre los siglos V y VIII proliferaron en Finlandia las saunas con cabina de madera. Eran cabañas de troncos de un solo cuarto que se calentaban con fuego y humo (lo que se conoce como sauna de humo).
La estufa
La estufa simple de una hoguera cubierta de piedras pronto fue sustituida por otros métodos de producción de calor. La sauna de humo consistía en una bóveda de piedra en la que se su interior se realizaba el fuego y una cúpula redondeada donde se ponían las piedras. Muchas veces coincidía con el fogón de la casa y en el siglo XI se desarrolló una modificación que hacia compatible el uso del mismo fogón para calentar la sauna y para las
labores domésticas llegando a especializarse en de la sauna en su función de cuarto de baño. Estos fogones no poseían chimenea y el humo llenaba el recinto. B.
CALDERAS
Las calderas son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, liquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria. Las calderas de vapor, básicamente constan de 2 partes principales: Cámara de agua. Recibe este nombre el espacio que ocupa el agua en el interior de la cald era. El nivel de agua se fija en su fabricación, de tal manera que sobrepase en unos 15 cms. por lo menos a los tubos o conductos de humo superiores. Con esto, a toda caldera le corresponde una cierta capacidad de agua, lo cual forma la cámara de agua. Según la razón que existe entre la capacidad de la cámara de agua y la superficie de calefacción, se distinguen calderas de gran volumen, mediano y pequeño volumen de agua. Las calderas de gran volumen de agua son las más sencillas y de construcción antigua. Se componen de uno a dos cilindros unidos entre sí y tienen una capacidad superior a 150 H de agua por cada m 2 de superficie de calefacción. Las calderas de mediano volumen de agua están provistas de varios tubos de humo y también de algunos tubos de agua, con lo cual aumenta la superficie de calefacción, sin aumentar el volumen total del agua. Las calderas de pequeño volumen de agua están formadas por numerosos tubos de agua de pequeño diámetro, con los cuales se aumenta considerablemente la superficie de calefacción. Como características importantes podemos considerar que las calderas de gran volumen de agua tienen la cualidad de mantener más o menos estable la presión del vapor y el nivel del agua, pero tienen el defecto de ser muy lentas en el encendido, y debido a su reducida superficie producen poco vapor. Son muy peligrosas en caso de explosión y poco económicas. Por otro lado, la caldera de pequeño volumen de agua, por su gran superficie de calefacción, es muy rápida en la producción de vapor, tienen muy buen rendimiento y producen grandes cantidades de vapor. Debido a esto requieren especial cuidado en la alimentación del agua y regulación del fuego, pues de faltarles alimentación, pueden secarse y quemarse en breves minutos.
Cámara de vapor. Es el espacio ocupado por el vapor en el interior de la caldera, en ella debe separarse el vapor del agua que lleve una suspensión. Cuanto más variable sea el consumo de vapor, tanto mayor debe ser el volumen de esta cámara, de manera que aumente también la distancia entre el nivel del agua y la toma de vapor.
A.
TIPOS DE CALDERAS
Caldera Tipo Locomóvil. Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multihumotubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos. La entrada de hombre, que se ve abierta, es la base de la chimenea, es decir la caja de humos y en la parte superior se encuentra la salida de vapor.
Calderas Pirotubulares. En los primeros diseños, la caldera era simplemente un casco ó tambor con una línea de alimentación y una salida de vapor montado sobre una caja o marco de ladrillos. El combustible era quemado sobre una parrilla debajo del casco y el calor liberado era aplicado directamente a su parte inferior antes de que los gases salieran por la chimenea. Los diseñadores de calderas muy pronto aprendieron que calentar una gran masa de agua en un recipiente era notoriamente ineficiente, que era necesario poner una mayor porción de esa agua en contacto con el calor. Ver figura :
Caldera pirotubular de un solo paso Una manera de lograr esto era dirigir los gases de la combustión dentro del recipiente o casco de la caldera. Este diseño dio origen a l as calderas pirotubulares. Este nombre se debe a que en ellas e! calor es transferido desde los gases de combustión, que fluyen por el interior de los tubos, a el agua que los rodea. El combustible es normalmente quemado debajo del casco y los gases son orientados a entrar en los tubos que se hallan en el interior del tambor de agua, haciendo su recorrido en tres o más pasos. El vapor sale por la parte superior del tambor y la entrada de agua está generalmente 2" por encima de la huera de tubos más alta.
Las altas presiones son una de las mayores limitantes de estas calderas. La fuerza que se ejerce a lo largo del tambor es dos veces la fuerza que se ejerce alrededor de la circunferencia. De lo anterior se deduce que para altas presiones y mayores capacidades se necesitarían paredes extremadamente gruesas, lo que las hace antieconómicas. Aunque su gran capacidad de almacenamiento de agua le da habilidad para amortiguar el efecto de amplias y repentinas variaciones de carga, este mismo detalle hace que el tiempo requerido para llegar a la presión de operación desde un arranque en frío sea considerablemente más largo que para una caldera acuotubular. Una presión de 250 psig y una producción hasta de 25.000 Ibs/hora son consideradas los topes prácticos para este tipo de calderas. Sin embargo, en Europa se construyen unidades de hasta 30.000 Ibs/hora de producción. Esto las hace recomendables para servicios donde la demanda de vapor sea relativamente pequeña y no se requiera su aplicación en turbinas. Las calderas pirotubulares se desarrollaron principalmente en dos modelos: De retorno horizontal y de horno interno o tipo escocés. De Retorno Horizontal. Son calderas de un bajo costo inicial y de simple construcción, muy usadas en sistemas de calentamiento de edificios y producción de vapor para pequeñas factorías.
Consisten de un casco cilíndrico con gruesas paredes terminales entre las cuales se encuentra soportado un gran número de tubos de 3" o 4" de diámetro, aunque se pueden tener diámetros menores, esto da mayor superficie de transferencia y por ende mayor generación de vapor. Ver figura:
La caldera está suspendida sobre unos muros de ladrillo en un horno. La parrilla o quemadores están localizados directamente debajo de la parte de enfrente del casco o tambor.
De Horno Interno. Llamada también tipo escocés, la combustión tiene lugar en un horno cilíndrico que se encuentra dentro del casco o tambor de la caldera. Los tubos de humo están a lo largo del casco y envuelven al horno por los lados y su parte superior. V e r
f i g u r a :
L o s gases que salen del horno cambian de dirección en una cámara en el extremo y regresan, recorriendo completamente !a unidad, hasta una caja de humos localizada en el frente. Este tipo de caldera fue muy utilizado en los barcos. 1.3.5 Calderas Acuotubulares Las calderas de tubos de agua tuvieron su origen a finales del siglo XVIII, pero el modelo original dista mucho de lo diseños de hoy día. Una caldera acuotubular consta básicamente de tambores y de tubos. Los tubos a través de los cuales circula el agua y en los que circula el vapor generado están fuera de los tambores, estos son utilizados solo para almacenar agua y vapor, por lo que pueden ser mucho más pequeños en diámetro que el tambor de una caldera pirotubular y pueden soportar mayores presiones. El costo inicial de una caldera acuotubular es más alto que el de una caldera pirotubular equivalente, sin embargo, una mayor eficiencia compensará este costo inicial. La adición de algunos equipos destinados a la recuperación de calor permitirá la recuperación de los costos más rápidamente. Las calderas acuotubulares son de dos tipos: De tubos horizontales rectos y de tubos do blados.
Están constituidas por bancos de tubos que por lo general están en zíg zag con una inclinación de 15° a 25° para favorecer la circulación. Este tipo de caldera fue muy popular entre 1920 y 1940 y era utilizado para producir vapor de proceso y ocasionalmente generar calentamiento en edificios. Su producción estaba limitada a 10.000 Ibs/h por cada pie de ancho de la caldera. Sus principales desventajas eran una limitada capacidad para una adecuada separación del vapor del agua a altas ratas de evaporación y una pobre distribución de circulación. PROBLEMAS DERIVADOS DE LA UTILIZACIÓN DEL AGUA EN CALDERAS Los problemas más frecuentes presentados en calderas pueden dividirse en dos grandes grupos.
Problema de corrosión
Para que esta aparezca, es necesario que exista presencia de agua en forma líquida, el vapor seco con presencia de oxígeno, no es corrosivo, pero los condensadores formados en un sistema de esta naturaleza son m uy corrosivos. En las líneas de vapor y condensado se produce el ataque corrosivo más intenso en las zonas donde se acumulan aguas condensada. La corrosión que produce el oxígeno, suele ser severa, debido a la entrada de aire al sistema, a bajo valor de pH, el CO 2 abarca por sí mismo los metales del sistema y acelera la velocidad de la corrosión del oxígeno disuelto cuando se encuentra presente en el oxígeno. El oxígeno disuelto ataca a las tuberías de acero al carbono formado montículos o tubérculos, bajo los cuales se encuentra una cavidad de o celda de corrosión activa: Estos suelen tener una coloración negra formada por un oxido ferroso – férrico hidratado. Una forma de corrosión que suelen presentarse con cierta frecuencia en calderas, corresponde a una reacción de este tipo. 3Fe + 4H2O
Fe3O4 + 4 H2
Esta reacción se debe a la acción del metal sobre calentado con el vapor.
C.
COMBUSTIBLE EMPLEADO PARA LA CALDERA
LA COMPOSICIÓN DE LA LEÑA: La composición media se compone de un 50% de carbono (C), un 42% de oxigeno (O2), un 6% de hidrógeno (H2) y el 2% de resto de nitrógeno (N2) y otros elementos. Todo esto se compone formando la celulosa y la lignina. La celulosa: Un polisacárido estructural formado por glucosa que forma parte de la pared de las células vegetales. Su fórmula empírica es (C6H10O5)n, con el valor mínimo de n = 200. D.
COMBUSTIÓN
Se refiere a la reacción que realizan los compuestos orgánicos con el oxígeno. El compuesto orgánico actúa como combustible El oxígeno actúa como comburente. El objetivo fundamental dela combustión es el de conseguir la oxidación del carbono y del hidrógeno para formar dióxido de carbono y agua con el cual se produce la energía máxima en forma de calor de la combustión y se evita efectos contaminantes. Combustión completa Los productos de reacción son: MATERIAL
CALOR ESPECIFICO (
Aceite oliva
)
2000
Acero
460
Acero inoxidable
510
Aire
1010
Agua
4186
Aluminio
880
Cobre
390
Estaño
230
Granito
800
Hierro
450
Madera
1760
Mercurio
138
Oro
130
Plata
235
Plomo
130
Platino
130
Sodio
1300
CxHy + O2
CO2 + H2O
Combustión incompleta Los productos de la reacción son CO y H2O debido a deficiencias de oxígeno. Deficiente: C + H 2O
IV.
CxHy + O2
CO + H2O
CxHy + O2
C + H2 O
PROCESO METODOLOGICO
Aspectos Generales del Sauna Nombre de la empresa: Sauna “La Salud” Propietario: Sr. Hospinol, Javier Ubicación y Acceso: Calle. Real -2do Piso-Huancayo Teléfono: 064 - 504820 Recursos: Recursos humanos: La empresa consta de 2 trabajadores: 1 administradora
Srta. Katerine Lucia Cóndor Espinoza. 1 ayudante
Sr. Demetrio Mercado: La atención es para todo público en general. Servicio: Brinda baños sauna seco, semiseco y a vapor, con 6 cámaras cada uno con aromatizante de eucalipto. Tiempo de producción (8 horas)
TABLA Nº1
INSUMOS
CANTIDAD UTILIZADA TOTAL
4.1.
Leña
40kg
Agua
340L
Método:
Método experimental con una técnica instrumental.
4.2.
Termómetro
Balanza
Wincha
4.3.
Equipos e instrumentos:
Procedimiento: Se eligió la sauna “LA SALUD” como empresa en estudio. Se solicitó al dueño Sr. Espinal; esta sauna fue elegido para el estudio de su caldera artesanal. Una vez confirmada la autorización del dueño se procedió a visitar la caldera para su caracterización e identificar qué tipo de caldera es. Se tomaron las dimensiones de la entrada de la sauna con una wincha. Se programó otra visita en donde se obtuvieron los datos sobre consumo de la cantidad de combustible (leña), con ayuda del Sr. Demetrio, trabajador de dicho establecimiento. Se tomaron datos de temperatura con la ayuda de un termómetro.
Caldera en estudio Clasificación: Según el caldero de estudio este se asemeja al caldero pirotubular. Características:
Largo: 2.6 m
Ancho: 1.58 m
Altura: 2m
Capacidad: El caldero tiene un tanque de agua adentro, cuya capacidad es de 340L, así mismo al día consume 40Kg de leña
V.
CÁLCULOS Y RESULTADOS:
DATOS EXPERIMENTALES TABLA Nº2 DATOS EXPERIMENTALES Variable Temperatura del caldero antes del calentamiento
Datos 30 ºC
Temperatura del caldero después de calentamiento
142.7 ºC
Tiempo de calentamiento
8 horas
Presión Manométrica
Temperatura ambiente
19°C
Temperatura inicial de la leña
20°C
Temperatura final de la leña
460°C
rea total de la caldera
2.54m2
Volumen del caldero
TABLA Nº3: DATOS TEORICOS VARIABLE
DATOS
Presión atmosférica de Huancayo
Temperatura de saturación a Patm
Calor especifico de la leña
420 ,3632
cal kg C
Calor especifico del acero
Calor específico del agua
Calor especifico del aire
Densidad del aire Conductividad térmica del acero inoxidable
cal kg C
999 .8051
DATOS TEORICOS DE LA COMPOSICION DE LA LEÑA CARBONO (C)
50 %
HIDROGENO (H2)
42%
NITROGENO (N2)
2%
OXIGENO (O2)
6%
EXCESO DE AIRE
36%
DIAGRAMA DE P-V Para hallar la temperatura de saturación se construyó el siguiente diagrama:
DIAGRAMA DE FLUJO
DIAGRAMA DEL CALDERO
PARTE FRONTAL DEL CALDERO
1m x 0.80m
0.65m x0.65m
TANQUE DE AGUA
BALANCE DE MATERIA
(L)Leña
(A)Aire
Masa de leña consumida: 40 Kg
(G)Gases de Chimenea
CALDERO
n
PESO
(mol
MOL.
O2 Estq.
12
1.67
%
Masa(
Masa
Kg)
C
50
20
C+ O2 = CO2
1.67
H2
42
2.4
H2 + 1/2 O2 = H2O
1.2
O2
6
16.8
0.525
32
-0.525
N2
2
0.8
0.029
28
-
Total
3.424
Comp.
Reacción
Kg)
2
0.6
1.745 mol Kg O2 Teórico
Gases de Chimenea: Gas
n (Mol-kg)
PESO MOL.
m(kg)
% masa
CO2
1.67
44
73.48
13.44
N2
8.928
28
249.984
71.84
H2O
1.2
18
21.6
9.65
O2
0.628194
32
20.102
5.07
Total
12.43
365.166
100
Siendo entonces el balance general:
Gases de Chimenea
365.166 kg
F:Leña
CALDERO
40 kg
A: Aire 11.30092 kg aire alimentado
Al realizar un balance de energía se está aplicando la primera ley de la termodinámica, donde encuentra que:
Q ALRED EDO RS QSISTEMA Donde se analiza todas las influencias de calor que se le somete al sistema, resultando la siguiente ecuación:
Q LEÑA Q ACUMULADOE LCALDERO Q AGUA Q PAREDES QGASES DE CHIMENEA Hallando el calor de la leña:
Q LEÑA m.Ce.t cal x 460 20C kg C 7398392.32cal 7398.39232 Kcal
Q LEÑA 40kg x 420.3632 Q LEÑA
Hallando el calor acumulado en el caldero:
Q ACUMULADOCALDERO m.Ce.t m .V kg cal x 0.34m3 x 241.2334 x 460 25C 3 m kg C 46381.946cal 46.381946 Kcal
Q ACUMULADOCALDERO 1,3 Q ACUMULADOCALDERO
Hallando el calor del agua:
Q AGUA
Q AGUA
0.34
Q AGUA
m.Ce.t
cal x 107.29 19C kg C 30012.75cal 30.01275 Kcal kg x 999.8051
Hallando el calor en las paredes:
Q PAREDES
T 1 T 2 X A x K
Donde: X: espesor de la pared K: conductividad térmica del acero inoxidable A: área total de la caldera 150 °C es temperatura en la pared del horno y es constante
Q PARED
2.54 x 0.9 x 3.5826 x 460 150 0,22
Q PARED 623.127cal 0.623127 Kcal
Hallando el calor de gases de chimenea:
Q LEÑA Q ACUMULADO C ALDERO Q AGUA Q PARED QGASES DE CHIMENEA QGASES DE CHIMENEA 7398 ,39232 Kcal 46 ,381946 Kcal 30,01275 Kcal 0,623127 Kcal QGASES DE CHIMENEA 7414 ,138 Kcal Con esto se estaría comprobando y aplicando la primera ley de la termodinámica, ya que el calor de los gases de chimenea es positivo como se predecía.
Hallando el calor suministrado por la leña:
Reactantes T1
Productos T2
H
º
P
H
º
R
º H 298
T0
º H T º H 298 H P º H Rº
T 2
T 1
º H T º H 298 (n Cpdt ) (n Cpdt )
P
T 0
R
T 0
T 1
º H T º H 298 (nCpm(T 2 T 0 ) (n a bT cT 2 dt )
P
R
T 0
H T º 6475.4774kcal 91832kcal 953.74kcal H T º 63586.7374kcal Q su min istrado 63586.7374kcal
Hallando la eficiencia teórica:
nideal 1
T T 1
2
nideal 1
260 K 763 K
61.99%
Hallando la eficiencia real:
RESULTADOS:
VI.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Con respecto a nuestros valores obtenidos de la eficiencia teórica y real, la nreal es menor que nideal esto a que el horno no trabaja con temperaturas y masas adecuadas las cuales hacen que se reduzca su eficiencia.
El horno no tiene un buen funcionamiento ya que su eficiencia real es de 20.29% a causa de la mala elaboración del horno y las deficiencias de su construcción.
VII.
CONCLUSIONES
Se logró aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica en la caldera del sauna obteniéndose el resultado de una eficiencia de 20.29% .
Al realizar el balance de materia se obtuvieron los resultados de masa de los gases extraídos en el calentamiento del agua con los que trabaja el sauna.
Al determinar la eficiencia con la que trabaja la caldera el resultado fue mucho menor con que la real esto nos indica que el horno no está trabajando adecuadamente.
VIII.
RECOMENDACIONES
En el sauna se recomenda al sauna que hiciera el manteniendo su caldera ya que presenta un 55.64% d eficiencia y si era posible un cambio de la misma.
IX.
Para un estudio de investigación se debe buscar con anticipación los materiales e instrumentos de medición ya que se nos hizo dificultoso contar con todos ellos.
BIBLIOGRAFÍA
Universidad Nacional Experimental de Táchira. Hipertexto [en línea]: de la biblioteca. Disponible en web: [Consulta: 1 de octubre del 2013] Universidad Técnica de Manabí. Libro [en línea]: de la biblioteca. Disponible enWeb: [Consulta: 1 de octubre del 2013] ACHS. Libro [en línea]: de la biblioteca. Disponible en web:< http://www.achs.cl/portal/trabajadores/Capacitacion/Centro%20de%20Fichas/ Documents/descripcion-de-caldera-y-generadores-de-vapor.pdf> [Consulta: 5 de octubre del 2013]
X.
ANEXOS
Lugar de experimentación: Sauna “La Salud”
Caldero a leña del Sauna “La Salud”
Manómetro que controlan la presión del vapor
Visita a la sauna “LA SALUD”
