COMBUSTION (1)

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UNIVERSIDAD MAYOR 
 DE SAN ANDRES
 FACULTAD DE INGENIERIA
INTEGRANTES:
· DENNIS FLORES TORRICOS
· MIGUEL ALMANZA
· PAOLA
· DANIEL 
DOCENTE: ING. RENE ALVAREZ
MATERIA : LABORATORIO DE TERMODINÁMICA PRQ201.L
LA PAZ - BOLIVIA
						
DETERMINACION DEL RENDIMIENTO DEL GLP
1. OBJETIVO.- Determinar el rendimiento de combustión del GLP (gas licuado de petróleo)por medio del calentamiento de agua hasta su punto de ebullición, gracias al su poder calorífico.
2. FUNDAMENTO TEORICO.- Se da el nombre de combustible a toda sustancia que se queme intencionalmente para obtener calor. 
La sustancia orgánica que se usa como carburante durante su quema no solo ha de desprender calor, su aprovechamiento ha de ser económicamente racional en las condiciones dadas. Por consiguiente, el concepto de combustible es una categoría no sólo técnica, sino también económica, y los conceptos a cerca de este varían a medida que se desarrolle la técnica.
De acuerdo a su estado los combustibles se dividen en sólidos, líquidos y gaseosos y de acuerdo a su procedencia en naturales y artificiales. 
Los combustibles naturales sólidos son: madera, turba, lignito, hulla y antracita; tienen el mismo origen geológico, pero se caracterizan por su diferente edad. 
El combustible natural líquido es esencialmente el petróleo, con sus diferentes composiciones y variedades, se encuentran combustibles naturales gaseosos junto con el petróleo, o se desarrollan en los pantanos o en los volcanes, constituidos principalmente por metano, mezclado en cantidades muy pequeñas de etano y otros hidrocarburos.
Los combustibles artificiales sólidos son el coque y el carbón vegetal, que se prepara por destilación seca de la madera en las carboneras o en retortas. Los combustibles artificiales líquidos están constituidos por los productos de la destilación fraccionada del petróleo. 
Los combustibles artificiales gaseosos están constituidos por el gas del alumbrado que se produce mediante una apropiada destilación seca de la hulla, el gas del aire, constituido por una mezcla de óxido de carbono con nitrógeno, que se obtiene haciendo pasar aire en cantidad deficiente sobre carbón al rojo, y el gas de agua, formado por una mezcla de oxido de carbono e hidrógeno que se obtiene haciendo pasar vapor de agua sobre carbón al rojo. 
Otros combustibles gaseosos se obtienen en las operaciones de destilación fraccionada del petróleo bruto.
Entre las especies de combustibles gaseosos figura en primer lugar el gas natural cuyas reservas son enormes en nuestro país. Su componente principal es el metano, además el gas de diferentes yacimientos contiene pequeñas cantidades de hidrógeno, nitrógeno, hidrocarburos superiores, monóxido de carbono y dióxido de carbono. Al extraer el gas natural el último habitualmente se purifica de los compuestos de azufre, pero una parte de éstos puede quedarse.
Al gas que se emplea en la economía doméstica se le agregan odorizantes que permiten detectar las fugas del gas y que le dan a éste su olor específico. Los odorizantes también tienen compuestos de azufre. Es regla común considerar que la concentración de vapor de agua en el gas natural corresponde al estado de saturación a la temperatura del gas en la tubería.
Durante la producción de petróleo se desprende el gas de entubación que contiene menos metano que el gas natural pero más hidrocarburos superiores por lo que durante la combustión da más calor.
En la industria y sobre todo en la economía doméstica, encuentra gran aplicación el gas licuado, que se obtiene durante el proceso de destilación primaria del petróleo y en el curso de transformación de los gases de entubación en los depósitos de petróleo, el principal componente del gas licuado es el propano además de contener butano y etano.
El GLP es único entre los combustibles comúnmente usados, porque relativamente a bajas presiones y temperaturas normales ambiente, puede transportarse y almacenarse en recipientes cerrados, en forma líquida; pero que, en contacto con el medio atmosférico a relativamente baja temperatura se gasifica aumentando de esta manera su eficacia como combustible. 
El calor de combustión es la cantidad de calor que se desprende durante la quema total de una cantidad de masa combustible. Por tanto se lo utiliza como factor para determinar el rendimiento del combustible.
El calor que proporciona la combustión de los carburantes sólido y líquido se refiere a un Kg. y el del gaseoso a un m3 en condiciones normales de la masa de trabajo, seca o combustible. Este calor se determina por medio de la bomba calorimétrica, constituida por un vaso metálico en el cual se coloca la muestra de combustible, aproximadamente un g., y se inyecta oxígeno a una presión de 3 MPa. El recipiente se coloca en un calorímetro lleno de agua a temperatura normal mediante el cual se determina la cantidad de calor que se desprende durante la combustión.
Los productos formados durante la quema de la muestra de combustible quedan en la bomba calorimétrica y se enfrían junto con esta hasta la temperatura normal. En este caso los vapores de agua formados durante la quema del hidrógeno y la evaporación de la humedad del combustible se condensan. Debido a esto se obtiene el calor superior de combustión. En los dispositivos técnicos el agua habitualmente se evacua en forma de vapor junto con los productos de combustión. Por esto en una serie de países se opera con el calor inferior de combustión de la masa de trabajo para cuya determinación se tiene en cuenta el gasto de calor para evaporar el agua que se forma durante la quema del combustible. Puesto que 1 Kg. de hidrógeno produce en su combustión 9 Kg. de agua y la condensación de 1 Kg. de vapor a 20 C cerca de 2.5 MJ de calor entonces en forma aproximada tenemos:
Qrs = Qir + 25 (9*Hr+Wr)
El calor máximo de la combustión de los carburantes sólidos alcanza 28 MJ/ Kg. pero el mínimo puede, en dependencia del contenido de la carga inútil, descender hasta 10 MJ/Kg.
La dependencia entre el calor de combustión de un amplio número de sustancias orgánicas y su composición elemental la ilustra bien la fórmula de Mendeleiev.
Qir = 0.34 Cr + 1.03 Hr - 0.11 (Or - Sr) - 0.025 Wr
El calorímetro permite determinar el calor de combustión con mayor precisión que esta y otras Fórmulas análogas, por lo que aquella se usa con fines de ilustración y , a veces, para comprobar la precisión del análisis elemental.
Por muy complicada que sea la composición del combustible, el carbono a fin de cuentas se quema hasta formar CO2;el hidrógeno hasta agua y el azufre hasta SO2. En calidad del oxidante habitualmente sirve el aire. Su cantidad ha de ser, naturalmente, suficiente para la quema total de todos los elementos combustibles.
La correspondencia con la ecuación estequiométrica de la reacción de combustión del hidrógeno es:
H2 + ½ O2 = H20
Por un Kmol de hidrógeno se necesitan 0.5 Kmol de oxígeno y 1 Kmol de agua. De modo análogo en las reacciones:
C + O2 = CO2	S + O2 = SO2
Se deduce que para un Kmol de carbono y azufre se necesita respectivamente un Kmol de oxígeno y se forman 1 Kmol de CO2 y 1 Kmol de SO2. Por consiguiente para quemar por completo 1 Kg. carbono hay que gastar teóricamente 2.67 Kg. de oxígeno y para un Kg. de azufre y un Kg. de hidrógeno respectivamente 1 y 8 Kg. de oxígeno. Una parte del oxígeno necesario igual al 1% la contiene el combustible la parte restante es preciso suministrarla junto con el aire. La densidad del oxígeno en las condiciones normales es de 1.43 Kg./ m3, el contenido de oxígeno en el aire seco constituye el 21% del volumen. Por consiguiente el volumen de aire teóricamente necesario para quemar en su totalidad 1 Kg. de combustible es igual a:
V0 = 0.033 (2.67 Cr + 8 Hr + Sr -Or)
Antes hemos indicado que el calor que se desprende durante la combustión es generalmente referido a 1 Kg de carburante llamándole calor de combustión. Puesto que en la reacción, participan en igual medida el aire y el combustible, es posible referir estecalor a 1 Kg de aire. Los cálculos muestran que el calor de combustión del aire junto con el de distintos tipos de combustible varía cierta medida, pero puede aceptarse igual como promedio, 3.8 MJ / m3 en condiciones normales de aire que realmente ha reaccionado. Para cálculos aproximados esta cifra da errores del 10 al 15%. 
Puesto que es difícil mezclar uniformemente el aire con el combustible, resulta necesario suministrar al fuego más aire del necesario teóricamente. La relación entre la cantidad de aire realmente suministrada por unidad de masa del combustible y la cantidad teóricamente necesaria se llama coeficiente de exceso de aire:
αa = Va/V0
En caso de una organización normal del proceso de combustión el coeficiente es mayor que uno, además cuanto más perfecto sea el fuego y mejores los quemadores, tanto menor cantidad de aire excesivo será necesario suministrar.
Conviene conocer la cantidad de los gases que se forman en la combustión para poder calcular su rendimiento. Como regla, la cantidad de productos de combustión se refieren a la unidad de masa del combustible. Estas cantidades se calculan partiendo del balance de materia de la combustión. 
Al organizar los procesos de combustión se trata de asegurar la combustión completa del carburante, es decir, oxidar el carbono hasta que forme CO2 y el hidrógeno hasta que forme agua. Habitualmente la cantidad de productos de combustión incompleta así como el óxido nítrico es tan pequeña que no ejerce influencia sustancial en el volumen sumario de gases. Para una evaluación aproximada se puede considerar que en condiciones normales el volumen de los productos de combustión de los carburantes sólido y líquido es igual al volumen del aire mientras que en el carburante gaseoso es al volumen del aire mas uno, ya que el volumen de la componente principal de los gases de combustión que es el nitrógeno igual que el oxigeno excesivo no varía durante la combustión. En las reacciones el volumen de gases también permanece constante. Para cálculos más precisos a pesar de todo hay que tomar en consideración que durante la combustión de un carburante sólido el volumen de la combustión es mayor al volumen del aire, en primer lugar, a causa de la evaporación de la humedad que el combustible contiene así como debido a la formación de vapor de agua durante la combustión de compuestos que contienen hidrógeno.
Para la quema total:
Vcomb = VRO2 + VH2O + 0.79 αa V0 + 0.21 (αa -1) V0
Aquí el último término es el oxígeno excesivo de aire, el tercer término es el nitrógeno de aire en tránsito y el primer término es la suma de los volúmenes de los productos triatómicos ce la combustión.
Puesto que durante la combustión de un 1 Kmol de carbono y azufre se forma un Kmol de CO2 y SO2 el volumen de 1 Kmol de un gas perfecto en condiciones normales es igual 22.4 m3, el volumen de los productos triatómicos de la combustión es:
VRO2 = 0.168 (Cr + 0.375 Sr)
El volumen de agua se calcula mediante 
VH2O = 0.111 Hr + 0.0124 Wr
Las fórmulas aducidas permiten calcular también la composición de los productos de combustión, es decir, el contenido en tanto por ciento de los componentes de la misma.
A partir del diagrama T vs. H para el GLP, puede determinarse la temperatura que tendrían los productos de la combustión a la condición de que todo el calor de combustión se gastara solo para calentarlos sin pérdidas de calor. Esta temperatura se llama adiabática, puesto que la combustión se realiza adiabáticamente. En ausencia de los productos de la combustión incompleta el calor no se suministra a la zona de combustión.
La temperatura real resulta un tanto más baja que la adiabática, cuanto mayores son las pérdidas de calor desde la zona de combustión hacia las paredes frías del fuego y hacia el exterior; y ordinariamente se diferencia de la temperatura adiabática en un 20 a 25%. Al calentar el aire o enriquecerlo con oxígeno la temperatura adiabática sube.
La utilización del GLP como combustible, involucra el estudio de sus propiedades desde el punto de vista de sus efectos en las características de combustión del gas; así como su capacidad de combustión en quemadores. Las propiedades mas importantes de un combustible desde este punto de vista son: su poder calorífico, peso específico y composición química.
	 
A partir de la composición de GLP, se determina el valor de las anteriores propiedades, asi como otra propiedad importante, que es la cantidad de aire necesario para una perfecta combustión, y como resultado de esta, el conocimiento de los valores de velocidad de ignición y límites de inflamabilidad, valores importantes en el comportamiento del GLP.
A continuación se detallan las cantidades de aire necesarias para la combustión completa del propano y butano, aunque en la práctica se debe utilizar aire en exceso para obtener un alto rendimiento en los quemadores.
Aire y productos de Combustión
Propano y Butano
	
	
	Cantidad necesaria para quemar un pie3 de gas
	Producto de la combustión en pies3 para la combustión de un pie3 de gas
	Dióxido de carbono como residuo de la combustión el %
	
	Fórmula química
	 
Aire
	
O2
	Dióxido de carbono
	Vapor de agua
	Nitrógeno
	
	Propano
Butano
	C3 H8
C4 H10
	23.86
31.02
	5
6.5
	3.0
4.0
	4.0
5.0
	18.86
24.52
	13.7
14.8
Como se puede observar en el anterior cuadro, el propano y butano solamente son combustibles en presencia de oxígeno del aire, y puede ilustrarse mediante una ecuación química que representa en este caso la combustión perfecta del propano formando dióxido de carbono y agua como productos de combustión.
C3H8 + 5 O2 + ∅ = 3 CO2 + 4H2O
1 lb. + 3.629 lb. = 2.995 lb. + 1.634 lb.
El GLP en presencia de aire arde con una llama abundante de color azul.
Propiedades físicas del GLP.
Tabla de Propiedades Físicas
Propano y Butano 
	
	Punto de ebullición ( °C )
	Gravedad específica del líquido
	Gravedad específica del gas
	Relación volumen del gas volumen del líquido (pies3/galón)
	Calor de combustión (btu/pies3)
	Porcentaje de gas en la mezcla gas – aire
	Presión del vapor (psi)
	Densidad a presión de almacenaje
(lb./galón)
	Propano
	-65.5
	0.508
	1.4527
	36.45
	2.235
	2.4-9.5%
	92
	4.24
	Butano
	-0.5
	0.584
	2.006
	31.79
	3.267
	1.8-8.4%
	12
	4.8
Las propiedades físicas del GLP se calculan a partir de su composición y las propiedades de sus componentes puros.
Tabla de propiedades físicas
GLP
	Propiedad
	Poder calorífico superior (btu/lb)
	Gravedad específica
	Presión de vapor (psi)
	Azufre total (ppm)
	Humedad
	Residuo de evaporación por 100ml (ml)
	GLP
	21300
	0.55
	208
	200
	negativa
	0.05
	Composición química molar
	Etano
	Propano
	Butano
	Pentano
	
	2%
	37%
	60%
	1%
3. PROCEDIMIENTO.- Lo primero que realizamos es la medida del peso de la garrafa que contiene GLP (Gas licuado de petróleo) del siguiente modo:
Inicialmente se peso las dos garrafas de acuerdo para esto usamos la balaza de correos 
En la segunda parte se midió simplemente la temperatura de salida del sistema, el tiempo de duración y el caudal del sistema.
4. DATOS EXPERIMENTALES.- Los valores hallados dentro el laboratorio son:
Para el calefón:
Tagua (frío) = 12.8 °c
Para determinar el caudal empleamos los siguientes datos:
V (volumen de agua) = 1000 ml.
t (tiempo de llenado para V) 
	VOLUMEN (ml)
	TIEMPO (seg.)
	1000
	9.93
	1000
	9.95
	1000
	9.94
	
	PROMEDIO 9.94 
Q (caudal) = V/ t
Q = 1000/9.94 
Q = 100.604 (ml/seg.)
M0 (masa inicial de la garrafa) = 17.2 Kg.
Mf (masa final de la garrafa) = 16.95 Kg
Mg (masa gastada) = 0.25 Kg
	tiempo (seg.)
	T ( °C)
	1
	30.5
	2
	31.6
	3
	32.1
	4
	32
	5
	31.9
	6
	32
	7
	32
	8
	32.1
	9
	32
	10
	33.1
	11
	31.7
	12
	32.1
	13
	31.7
	14
	32.4
	15
	31.9
	16
	32
	17
	32.1
	18
	32.1
	19
	32.1
	20
	32.1
Para la cocina:
V (volumen de agua) = 17 lt.
M0 (masa inicial de la garrafa) = 16.95 Kg.
Mf (masa final de la garrafa) = 16.72 Kg
Mg (masa gastada) = 0.23 Kg
	tiempo (seg.)
	T ( °C)
	0
	19
	2
	22.5
	4
	26.3
	6
	31
	8
	34.8
	10
	39
	12
	44
	14.4
	48.316
	52.1
	18
	56.5
	20
	61
	22
	64.7
	24
	68.6
	24.38
	70
	26
	72.1
5. CALCULOS. Y RESULTADOS-
Para hallar el rendimiento del sistema, tenemos que el calor que se necesita para calentar un flujo de masa cualquiera 
Para hallar el calor necesario para calentar el agua se utiliza:
Los datos de cp función de la temperatura son:
	a= 32,24
	c= 1,055E-5
	T [K]
	b= ,1923E-2
	d= -3,595E-9
	Cp‘[KJ/molK]
Remplazando valores se hallan en la tabla general
La siguiente columna se cambia de unidades a [Kcal/gr]
Después se multiplica por la masa
De acuerdo al poder calorífico del GLP.
Tenemos entonces:
De manera que el rendimiento se expresa:
	Temp[ºK]
	Q[Kj/mol
	Q[Kcal/gr]
	Q[Kcal/seg]
	Q=m*PI
	Rendi[%]
	312,15
	902,106
	11,970
	1104,290
	8283,1
	13,332
	313,15
	935,869
	12,418
	1145,620
	8283,1
	13,831
	313,15
	935,869
	12,418
	1145,620
	8283,1
	13,831
	312,15
	902,106
	11,970
	1104,290
	8283,1
	13,332
	313,15
	935,869
	12,418
	1145,620
	8283,1
	13,831
	311,15
	868,351
	11,522
	1062,969
	8283,1
	12,833
	312,15
	902,106
	11,970
	1104,290
	8283,1
	13,332
	311,15
	868,351
	11,522
	1062,969
	8283,1
	12,833
	312,15
	902,106
	11,970
	1104,290
	8283,1
	13,332
	313,15
	935,869
	12,418
	1145,620
	8283,1
	13,831
	312,35
	908,860
	12,059
	1112,558
	 
	13,432
Para la cocina
Remplazado valores se hallan en la tabla general
La siguiente columna se cambia de unidades a [Kcal/gr]
Después se multiplica por la masa
De acuerdo al poder calorífico del GLP.
Tenemos entonces:
De acuerdo al numero de prueba se calcularon los valores de 
De manera que el rendimiento se expresa:
	Nº
	Temp[ºC]
	masa 
	Presión Vap
	Q[cal/gr]
	Q[Kcal]
	Q=m*PI
	Rendi[%]
	1
	17
	15000
	14,523
	4,800
	72,00
	98,611
	73,014
	2
	19
	15000
	16,472
	6,800
	102,00
	197,222
	51,718
	3
	23
	15000
	21,066
	10,800
	162,00
	295,833
	54,761
	4
	27
	15000
	26,740
	14,800
	222,00
	394,444
	56,282
	5
	32
	15000
	35,666
	19,800
	297,00
	493,055
	60,237
	6
	35
	15000
	42,179
	22,800
	342,00
	591,667
	57,803
	7
	39
	15000
	52,449
	26,800
	402,00
	690,278
	58,237
	8
	43
	15000
	64,811
	30,800
	462,00
	788,889
	58,563
	9
	47
	15000
	79,607
	34,800
	522,00
	887,500
	58,817
	10
	51
	15000
	97,221
	38,800
	582,00
	986,111
	59,020
	11
	55
	15000
	118,078
	42,800
	642,00
	1084,722
	59,186
	12
	57
	15000
	129,870
	44,800
	672,00
	1183,333
	56,789
	13
	58
	15000
	136,134
	45,800
	687,00
	1281,944
	53,590
	14
	62
	15000
	163,818
	49,800
	747,00
	1380,555
	54,109
	15
	66
	15000
	196,167
	53,800
	807,00
	1479,166
	54,558
	16
	68
	15000
	214,272
	55,800
	837,00
	1577,777
	53,049
	17
	69
	15000
	223,842
	56,800
	852,00
	1676,388
	50,824
	18
	69
	15000
	25,064
	56,800
	852,00
	1775,000
	48,000
	19
	70
	15000
	233,771
	57,800
	867,00
	1873,611
	46,274
	20
	71
	15000
	244,069
	58,800
	882,00
	1972,222
	44,721
	21
	72
	15000
	254,748
	59,800
	897,00
	2070,833
	43,316
	22
	73,5
	15000
	271,503
	61,300
	919,50
	2169,444
	42,384
	23
	74
	15000
	277,291
	61,800
	927,00
	2268,055
	40,872
	24
	75
	15000
	289,179
	62,800
	942,00
	2366,666
	39,803
6. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES.- Por medio de esta práctica pudimos analizar cual es el rendimiento de combustión del GLP, para un calefón se puede calcula ya que la velocidad de flujo nos da errores demasiado malos 
Para la cocina se dio valores que comprende en la tabla ya que a medida que se va elevando la temperatura el rendimiento va bajando de acuerdo a los que se muestra en esta tabla de ahí que podemos concluir que el rendimiento para la cocina es menor que para el calefón ya que el calefón es un equipo diseñado para dar mayores rendimientos que una cocina domestica.