proyecto de grado - pablo andres mejia rebolledo
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ELABORACION DE UN CALORIMETRO DE FLUJO JUNKERS
PABLO ANDRES MEJIA REBOLLEDO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTA, D.C.
2008
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ELABORACION DE UN CALORIMETRO DE FLUJO JUNKERS
PABLO ANDRES MEJIA REBOLLEDO
Proyecto de grado presentado como requisito parcial para optar por el titulo de Ingeniero Mecánico
Profesor asesor
RAFAEL GUILLERMO BELTRAN PULIDO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTA, D.C.
2008
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A mis padres y amigos,
por todos sus años de apoyo
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AGRADECIMIENTOS A RAFAEL GUILLERMO BELTRAN PULIDO, profesor del departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes, asesor y colaborador de este proyecto. A OMAR FABIAN RODRIGUEZ GONZALES, técnico mecánico de los laboratorios de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes. A ANA PATRICIA MEJIA REBOLLEDO, Ingeniera Eléctrica y Electrónica de la Universidad de los Andes, mi hermana. A SILVIA ANDREA BERMUDEZ CASTELLANOS, por su gran apoyo.
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TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN........................................................................................................9
1.1 OBJETIVO PRINCIPAL...................................................................................11 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS.............................................................................11 2. EQUIPO UTILIZADO: CALORÍMETRO DE FLUJO JUNKERS........................12
2.1 INTERCAMBIADOR DE CALOR ..............................................................................13 2.2 RECIPIENTE EXTERIOR (TANQUE DE FLUJO DE AGUA) ...........................................16 2.3 OBJETOS AUXILIARES DEL RECIPIENTE EXTERIOR.................................................20 2.4 ANILLO DE SELLE ENTRE INTERCAMBIADOR DE CALOR Y BASE PRINCIPAL ............21 2.5 MEDIDOR DE FLUJO DE GASES (WET TEST METER) ..............................................22 2.6 QUEMADOR DE GASES ........................................................................................25 2.7 RECIPIENTE DE FLUJO CONTASTE DE AGUA ..........................................................26 2.8 RECOLECCIÓN DE AGUA......................................................................................28 3. PRINCIPIO FÍSICO..................................................................................................28
4. TAREAS DEL EXPERIMENTO ..............................................................................31
4.1 FLUJOS VOLUMÉTRICOS......................................................................................32 4.1.1 Propagación de error de volumen......................................................................33 4.1.2 Propagación de error del tiempo .......................................................................33 4.2 DENSIDAD DEL GAS ............................................................................................34 4.2.1 Propagación de error de la presión ...................................................................34 4.2.2 Propagación de error de la temperatura............................................................35 4.3 MEDICIÓN DEL CAMBIO DE TEMPERATURA ..........................................................35 4.4 PODER CALORÍFICO ............................................................................................37 4.4.1 Propagación de error del flujo volumétrico de agua..........................................37 4.4.2 Propagación de error del cambio de temperatura del agua ...............................38 4.4.3 Propagación de error de la densidad del gas.....................................................38 4.4.4 Propagación de error del flujo volumétrico de gas ............................................39 5. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS NECESARIOS......................................................40
6. PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DEL PODER CALORÍFICO DE UN GAS, POR MEDIO DEL USO DE UN CALORÍMETRO DE FLUJO JUNKERS.41
6.1 ACCIONES PRELIMINARES..........................................................................41 6.2 DETERMINACIÓN DEL FLUJO VOLUMÉTRICO DEL AGUA ...................43 6.3 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DEL GAS ........................................................44 6.4 DETERMINACIÓN DEL FLUJO VOLUMÉTRICO DEL GAS COMBUSTIBLE
..........................................................................................................................45
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6.5 CALIBRACIÓN DE LLAMA AZUL................................................................46 6.6 DETERMINACIÓN DEL CAMBIO DE TEMPERATURA..............................46 6.7 PRECAUCIONES.............................................................................................47 7. RESULTADOS CON GAS NATURAL ....................................................................49
7.1 ACCIONES PRELIMINARES..........................................................................50 7.2 DETERMINACIÓN DL FLUJO VOLUMÉTRICO DEL AGUA......................50 7.2.1 Primera Medición..............................................................................................50 7.2.2 Segunda Medición .............................................................................................50 7.2.3 Propagación del error del volumen ...................................................................51 7.2.4 Propagación de error del tiempo .......................................................................51 7.3 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DEL GAS ........................................................52 7.4 DETERMINACIÓN DEL FLUJO VOLUMÉTRICO DEL GAS COMBUSTIBLE.....................52 7.5 CALIBRACIÓN DE LLAMA AZUL ...........................................................................53 7.6 DETERMINACIÓN DEL CAMBIO DE TEMPERATURA ................................................53 7.7 DETERMINACIÓN DEL PODER CALORÍFICO ...........................................................54 8. CONCLUSIONES......................................................................................................55
9. BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................56
ANEXO 1. PROPIEDADES DEL AGUA...........................................................................57
ANEXO 2. PROPIEDADES ACERO INOXIDABLE [11] ................................................59
ANEXO 3. PROPIEDADES DEL TERMÓMETRO DIGITAL [12] ................................60
ANEXO 4. PROPIEDADES GASES [13] ...........................................................................62
ANEXO 5. ECOPETROL [9]..............................................................................................63
ANEXO 6. PLANOS DETALLADOS DE DISEÑO...........................................................64
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TABLA DE FIGURAS Figura 1. Calorímetro de Flujo ......................................................................................... 14 Figura 2. Esquema general del calorímetro de flujo [2]..................................................... 15 Figura 3. Intercambiador de calor.................................................................................... 16 Figura 4. Recipiente exterior o tanque de flujo. ................................................................ 19 Figura 5. Anillo de selle. .................................................................................................. 22 Figura 6. Esquema general, medidor de flujo [2]. ............................................................. 23 Figura 7. Medidor de flujo de gases.................................................................................. 25 Figura 8. Esquema general, recipiente de flujo constante de agua..................................... 27 Figura 9. Ensamble final del calorímetro de flujo. ............................................................ 41 Figura 10. Vista tridimensional del calorímetro en Solid Edge. ........................................ 64
INDICE DE TABLAS Tabla 1. Tabla para la toma de datos ................................................................................ 36 Tabla 2. Valores Obtenidos experimentalmente con el gas natural.................................... 53 Tabla 3. Tabla de propiedades del agua. [10].................................................................... 57 Tabla 4.Composición Química (Análisis de Colada %) .................................................... 59 Tabla 5. Propiedades Mecánicas....................................................................................... 59
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RESUMEN El calorímetro de flujo Junkers es un aparato de medición muy utilizado en la industria para
determinar el poder calorífico de un gas que es suministrado a calderas o para conocer la
calidad de un gas [1].
Partiendo de diseños previos que no entraron en funcionamiento [2], se inicia el diseño y
construcción del calorímetro de Junkers, teniendo en cuenta principalmente los materiales
de construcción debido a la corrosión y a los cambios de temperatura a los cuales se va a
exponer.
Después de la construcción y montaje del calorímetro se realizaron pruebas con gas natural,
con el fin de determinar su correcto funcionamiento, obteniendo como resultado que los
datos del experimento concuerdan con los resultados teóricos, de esta forma se confirma
que el diseño planteado es correcto de acuerdo con los estándares internacionales.
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1. INTRODUCCIÓN
Con la construcción del nuevo edificio de la facultad de Ingeniería de la Universidad de los
Andes, Edificio Mario Laserna, se dio paso al desarrollo de nuevos laboratorios, que buscan
promover la investigación, generar conocimiento y contar con áreas para la realización de
experimentos en los diferentes programas académicos.
Se conoce que los gases (inflamables) son una fuente energética importante para la
humanidad, donde el consumo energético actual aumenta de manera acelerada, y con base
en un estudio realizado en el Laboratorio de Conversión de Energía (sótano 1, 041), se
encontró la necesidad de desarrollar una aplicación para dotar la nueva infraestructura con
la que cuenta la universidad, específicamente los laboratorios del Departamento de
Ingeniería Mecánica, para esto se propone la elaboración de un Calorímetro de Flujo
Junkers.
Este proyecto se basa en dotar el Laboratorio de Conversión de Energía, de un medidor de
poder calorífico, generando un medio de investigación y desarrollo de experimentos para
los estudiantes de Ingeniería Mecánica. Finalmente con este proyecto se generará un
calorímetro de flujo Junkers, que proporcionará un medio de análisis importante en el
estudio de la capacidad calorífica de los gases, creando un punto de partida para
experimentos en el estudio de los mismos.
Para el desarrollo de este proyecto se parte de un proyecto de tesis realizado en 1995 [2], el
cual consistía en la construcción de un calorímetro de flujo, que no entró en
funcionamiento. Para la elaboración del Calorímetro de Junkers, se diseña y optimiza lo
necesario para su funcionamiento, con base en el aparato diseñado en 1995.
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Con base en esto, las acciones a realizar en el proyecto se centran en el diseño y
construcción de partes averiadas y fuera de funcionamiento que tenía el calorímetro de
flujo. En el proyecto se tiene como base principal el diseño y construcción de estas partes,
teniendo en cuenta los materiales y los métodos de manufactura que permitan un adecuado
funcionamiento.
Adicionalmente, se realizará una reconstrucción del medidor de flujo de gases, en la cual se
hará una limpieza del medidor y se cambiarán partes averiadas. Para finalizar, se realizaran
pruebas en conjunto con un gas natural, para desarrollar una guía de operación y facilitar la
toma de datos.
El documento está organizado de la siguiente forma:
El capítulo 2 o Equipo utilizado, se explican detalladamente el funcionamiento, diseño y
construcción de cada parte del calorímetro de flujo.
El capítulo 3 o Principio físico, se analiza los principios físicos utilizados para desarrollar el
cálculo del poder calorífico de un gas.
El capítulo 4 o Tareas del experimento, explica los datos que se deben medir en el
experimento, y da una descripción sobre el calculo de la propagación de error que se genera
debido a al toma de datos.
El capítulo 5 o Instrumentos y Equipos Necesarios, enumera los equipos necesarios para el
desarrollo del experimento.
El capítulo 6 o Procedimiento para el cálculo del poder calorífico de un gas, por medio del
uso de un calorímetro de Flujo de Junkers, tiene el detalle de los pasos a seguir para el uso
del calorímetro de flujo Junkers, y para el cálculo del poder calorífico del gas combustible.
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El capítulo 7 o Resultados con gas natural, da a conocer los resultados de pruebas del
equipo con gas natural de Bogotá.
1.1 OBJETIVO PRINCIPAL
Desarrollar un medidor de poder calorífico de los gases, por medio de la construcción de un
calorímetro de flujo Junkers.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Obtener un medidor de poder calorífico, el cual sirva como recurso físico del
laboratorio de Conversión de Energía, para la medición de los calores específicos de
distintos gases (metano, propano, butano, entre otros), realizando el diseño y fabricación de
las partes principales que fundamentan el calorímetro, teniendo en cuenta materiales de
diseño y procesos de fabricación.
• Desarrollar una guía de operación del equipo, para futuros usuarios que deseen
emplear el modelo.
• Generar una hoja de cálculo, en hoja Excel, para la toma de datos y cálculos
automáticos.
• Dar a conocer el proceso general de la obtención del poder calorífico de un gas
inflamable, como base fundamental para el estudio de las capacidades caloríficas de
distintos gases, y con esto lograr encontrar el uso adecuado para estos, así como la
optimización de su poder calorífico.
• Medir el poder calorífico del gas natural (metano) de Bogotá, y compararlo con
datos existentes.
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2. EQUIPO UTILIZADO: CALORÍMETRO DE FLUJO JUNKERS
Actualmente, el instrumento mas usado para determinar del poder calorífico de un gas es el
calorímetro, el cual es una “herramienta que sirve para calcular las cantidades de calor
suministradas por los cuerpos” [1]. El calorímetro de flujo sirve para determinar la cantidad
de calor que libera el gas, o la cantidad de energía que se libera por kilogramo de gas, en un
proceso de combustión.
El desarrollo de los calorímetros tiene como finalidad la medida del cambio de energía que
acompaña a una transformación química o física. Por esto, los calorímetros son de uso
frecuente en la Ingeniería Química, ya que éste ayuda en la medición de propiedades
químicas de reactivos, así como las diferentes entalpías. Al mismo tiempo, el uso de
medidores de poder calorífico, es común por su alta precisión y buena estabilidad de
calibración [3]. Debido a sus diferentes usos, existen diferentes tipos de calorímetros como:
• Micro calorímetro
• Calorímetro adiabático
• Calorímetro de cambio de estado.
• Calorímetro de flujo Junkers.
En este caso nos interesa el Calorímetro de Flujo Junkers, ya que es el instrumento de
medición mas utilizado, para el cálculo del poder calorífico de un gas (finalidad de este
proyecto).
El Calorímetro de Flujo Junkers, esta compuesto por un recipiente exterior de acero, y un
intercambiador en su interior por el que fluyen los gases de combustión de abajo hacia
arriba. Al hacer esto, el gas cede calor a una tubería por la cual circula agua refrigerante. Al
presentarse una transferencia de calor entre los gases de combustión y el agua refrigerante,
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la temperatura de salida de agua es mayor a la de entrada (Conservación de la energía). Con
este principio, conociendo el flujo de agua y las propiedades físicas de la misma, se pueden
desarrollar relaciones físicas que dan como resultado las ganancias térmicas del
refrigerante, o en nuestro caso, nos proporcionaran el poder calorífico del gas analizado.
Su funcionamiento es muy sencillo y sólo se necesita tomar algunos datos en la realización
del ensayo, para poder obtener el resultado deseado. En la realización del experimento se
debe medir la temperatura inicial del refrigerante, la temperatura del refrigerante después
de su intercambio de calor con el gas, el flujo de gas y el flujo de agua refrigerante, con el
fin de determinar las perdidas térmicas.
A continuación se muestran las distintas partes que forman el calorímetro de flujo Junkers,
se da una breve descripción de su funcionamiento y el procedimiento de su construcción y
diseño. Para mayor información del principio y funcionamiento del calorímetro en
conjunto, ver el Capítulo 3.
2.1 INTERCAMBIADOR DE CALOR
El intercambiador de calor es la parte mas importante del calorímetro, ver Figura 1, ya que
en él se realiza el intercambio de calor entre el gas en combustión y el agua en circulación,
lo cual es el principio fundamental del calorímetro. El intercambio se realiza cuando se
tiene en funcionamiento el quemador de gases, donde hay pérdida de energía, dentro del
intercambiador de calor, y a la vez se tiene por la parte exterior del intercambiador un flujo
agua constante, la cual gana energía.
El esquema general de funcionamiento se puede observar con mayor claridad en la Figura
2, la cual muestra un corte transversal del intercambiador y describe de manera general el
proceso de flujo y salida de los gases.
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Figura 1. Calorímetro de Flujo
Para la realización y construcción del intercambiador se procede a la unión de un tubo
central de 7 cm de diámetro por 40 cm de largo, de cobre, y 48 tubos secundarios de 1 cm
de diámetro por 45 cm de largo, de cobre, a unos soportes de latón en la parte superior e
inferior (Ver planos detallados de diseño en el Anexo 6). Se aclara, que el soporte superior
interconecta el tubo central y los tubos secundarios, con el fin de garantizar una continuidad
del flujo de los gases de combustión, como lo muestra la Figura 3.
Al contrario, el soporte inferior tiene las siguientes funciones: Sirve de soporte de los tubos
secundarios, como tapa inferior del recipiente exterior (tanque de flujo), aísla la salida de
los tubos secundarios, de la zona de flujo de agua, evita la filtración de agua, en la zona de
escape de los gases.
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Para garantizar la no existencia de pequeños huecos, que se comporten como canales de
flujo de agua generando filtraciones, se realizo un proceso de soldadura y relleno con
estaño en todas las uniones existentes, garantizando la uniformidad de las partes. Se debe
tener en cuenta que la realización del calorímetro partió de la realización del
intercambiador de calor y que al ser este el elemento principal, es la base de diseño de todos
los elementos restantes.
Figura 2. Esquema general del calorímetro de flujo [2].
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Figura 3. Intercambiador de calor.
2.2 RECIPIENTE EXTERIOR (TANQUE DE FLUJO DE AGUA)
El recipiente exterior, ver Figura 1, cumple la función de un tanque de agua, el cual tiene
una entrada de agua en la parte inferior y una salida de agua en la parte superior. La entrada
y la salida de agua son puestas con el fin de garantizar un flujo de agua en el interior del
tanque, el cual contiene el intercambiador de calor en su interior. Es decir, el recipiente
exterior o tanque de flujo sirve para garantizar el flujo de energía de los gases de
combustión al flujo de agua, debido al intercambio de calor que se logra por el
intercambiador que se encuentra en el interior del tanque de flujo.
El tanque tiene dos zonas de medición de temperatura, parámetros que deben ser medidos
para el cálculo del poder calorífico, la zona de abastecimiento y de descarga de agua, ver
Figura 2.
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Para el desarrollo del recipiente exterior se tuvo en consideración varios factores de diseño,
entre los cuales se encuentran: Presión máxima dentro del recipiente exterior, geometría del
intercambiador de calor, materiales del recipiente exterior, medición de temperatura,
cubierta aislante. Después de conocer los factores de diseño, se desarrolla una metodología
para su construcción.
Inicialmente, se determino la presión que se maneja dentro del tanque. Para esto, se debe
tener en cuenta que el recipiente, explicación detallada sección 2.7, que nos suministra el
agua con flujo y presión constante, numeral 6 en la Figura 1, se encuentra a una altura de
1m del suelo, y a 70 cm de la base del recipiente exterior. Con esto se puede determinar la
presión que se va a manejar en el interior del tanque y se logra por medio del siguiente
análisis [4]:
(2.1)
Donde: . .
En el Anexo 1, se muestra las propiedades del agua, con base en estos datos se puede
determinar la densidad del agua. Los datos de gravedad y altura se muestran a
continuación:
Como resultado:
Se sabe que:
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Donde, la presión atmosférica de Bogotá es 10.92 Psi (es el 74% de la presión atmosférica a
nivel del mar) [5].
Una vez calculada la presión dentro del tanque, se procede a analizar el diseño y
dimensiones que tiene el intercambiador de calor (Ver sección 2.1), garantizando un acople
perfecto y así evitar fugas de agua. Este diseño necesita una cubierta robusta, resistente al
agua (material que evite la corrosión) y que soporte cambios de temperatura.
Con estos factores de diseño, se sugirió el uso de acero inoxidable para la realización y
construcción del tanque de flujo (Ver tabla de propiedades, Anexo 2), ya que este nos
proporciona los requerimientos básicos expuestos inicialmente, además de su fácil
manufactura, bajo costo (comparado con cobre) y fácil accesibilidad. Conociendo el
material a utilizar se inician los cálculos de las dimensiones finales del tanque, dando como
resultado el diseño que se muestra en la Figura 4, detalles de construcción ver Anexo 6.
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Figura 4. Recipiente exterior o tanque de flujo.
El desarrollo del tanque parte del doblado de una lámina de 3 milímetros de espesor de
acero inoxidable, y se logró con la ayuda de dobladoras mecánicas. Después de tener las
dimensiones finales se procede realizar el cálculo del factor de seguridad, para determinar
si el tanque de flujo es seguro para el desarrollo del experimento, que proporcionará el
poder calorífico de un gas. Teniendo en cuenta el cálculo de los esfuerzos principales
desarrollados dentro del tanque y la relación radio del tanque-espesor [6].
• Esfuerzos principales:
− Esfuerzo radial:
− Esfuerzo tangencial:
− Esfuerzo longitudinal:
• Relación r/t:
Como la relación radio interno del tanque y espesor del tanque da un valor
considerablemente mayor a 10, se puede realizar el procedimiento de análisis asumiendo un
cilindro de pared delgada. Por tal motivo el cálculo del factor de seguridad es el siguiente:
• Factor de seguridad
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Con un factor de seguridad mayor a 3 [7] se puede concluir que el tanque tiene dimensiones
aptas para su adecuado funcionamiento, y esto se debe a que el diseño se realizó con base
en las dimensiones del intercambiador de calor.
Finalmente, al tanque de flujo se le debe añadir un tubo de 3.4 cm de diámetro y 6 cm de
largo, en la parte superior y dos tubos de ½ de pulgada de diámetro por 5 cm de largo, con
un extremo roscado, tal como lo muestra la figura 4. Estos anexos del tanque servirán de
soporte para medición de la temperatura, como acoples para conectar las mangueras de
entrada y salida de agua, para detalles de diseño ver Anexo 6.
2.3 OBJETOS AUXILIARES DEL RECIPIENTE EXTERIOR
Al recipiente exterior o tanque de flujo se le añadieron tres elementos para su adecuado
funcionamiento, estos son:
• Sistemas de ampliación de la entrada y la salida de agua del calorímetro. Debido a la
diferencia de tamaños que se presento entre los niples roscados del tanque de flujo, tubo
con rosca en su parte exterior, y la entrada de los recipientes de agua constante, se
decidió agregar a los niples del tanque de flujo conectores que amplían la salida de
estos en la dimensión que se requiere para los recipientes de agua constante, de ½ a 1
pulgadas.
• Medidores de temperatura: Como se necesita medir la temperatura al inicio y al final
del trayecto dentro del tanque de flujo, a éste se le colocaron dos tapones de caucho, a
los cuales los atraviesa un cable termocupla para poder determinar la temperatura por
medio de un termómetro digital, ver Anexo 3 para especificación del termómetro. Estos
tapones de caucho, se colocaron en los soportes establecidos en la parte inferior y
superior del recipiente exterior, tal y como lo muestra la Figura 4.
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• Cubierta aislante: Para evitar una perdida excesiva de calor con el entorno, el recipiente
exterior se vistió con una cubierta aislante hecha con tela de dril gruesa (tela utilizada
para hacer los overoles industriales), la cual nos brinda un aislante térmico y a la vez
evita que debido a una chispa o a la llama del quemador de gases, esta se incinere.
2.4 ANILLO DE SELLE ENTRE INTERCAMBIADOR DE CALOR Y BASE
PRINCIPAL
El anillo de selle (Ver Figura 1), tiene la función de regular la salida de los gases de
combustión, después de haberse realizado el proceso de intercambio de calor de los gases
de combustión al flujo de agua. Por tal motivo, este dirige los gases de combustión a una
salida que posee una válvula, la cual puede regular el flujo de salida de estos gases y así
proporcionar un flujo lento. Gracias a esta regulación se puede lograr por un tiempo
prolongado la transferencia de calor entre los gases de combustión y el flujo de agua, en el
intercambiador de calor, utilizando el proceso de conservación de la energía.
Para la realización de este anillo, se tomaron las dimensiones de la base del intercambiador
de calor y la base principal del calorímetro, y se diseñó un cilindro al cual se le adicionó en
la superficie un tubo para los gases de salida, de 4.3 cm de diámetro por 5 cm de largo, para
que salgan los gases procedentes de la combustión. Este anillo se realizó en acero
inoxidable de calibre de 3 milímetro, para garantizar una homogeneidad de las partes del
calorímetro.
Al mismo tiempo, al tubo para los gases de salida se le agrego una compuerta que regula el
flujo de gases en combustión que abandonan el calorímetro, esta con el fin de evitar un
flujo amplio de salida de gases, que nos generen pérdidas de energía con el ambiente, para
detalles de diseño ver Anexo 6. Se debe tener cuidado con esta compuerta, porque si esta
permanece cerrada en la realización del experimento, es muy probable que el quemador de
gases se apague y se generen fugas del gas combustible. El resultado del anillo de selle se
muestra en la Figura 5.
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Figura 5. Anillo de selle.
2.5 MEDIDOR DE FLUJO DE GASES (WET TEST METER)
Para la medición del flujo de gas combustible, se proporciona un medidor de flujo de gases
o de tambor rotativo y sello de agua, ver Figura 1, que es uno de los medidores de flujo
volumétrico de gases más precisos existentes en el mercado. Este medidor de flujo consta
de una serie de cámaras, sumergidas parcialmente en agua, que se llenan con el gas que
entra por el eje del tambor rotativo (el cual aloja las cámaras), y se descargan cuando la
presión dentro de las cámaras hace girar el tambor y dirige el gas a una salida en la parte
superior del medidor de flujo. El esquema del funcionamiento lo podemos observar
claramente en la Figura 6.
El éxito de la medición se encuentra en el nivel de agua de sellado, ya que ésta esta actúa
como cierre de las cámaras y es la clave para la determinación del flujo volumétrico. Se
debe tener muy presente que la medición del flujo volumétrico es de tres litros de gas por
revolución del tambor. Esto quiere decir que siempre que el dial principal de una vuelta,
por el medidor de flujo han pasado tres litros del gas combustible. La diferencia principal
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de un gas a otro, es que dependiendo de la densidad del gas el tiempo de revolución del dial
es diferente. Se debe tener en cuenta, para la realización del cálculo del poder calorífico,
que el medidor de flujo debe estar calibrado por las normas ASTM D 1071-83, la cual nos
proporciona el dato del nivel de agua de sello que este necesita.
Figura 6. Esquema general, medidor de flujo [2].
El medidor de flujo posee varios elementos que son esenciales para la determinación de las
características físicas principales del gas, con los cuales se puede determinar el flujo
volumétrico del gas y la densidad del mismo. Los elementos adicionales son:
• Diales. Son los encargados de dar el valor preciso de gas que ha pasado por el medidor
de flujo. Se debe tener en cuenta que el dial principal (el mas grande) nos proporciona
la medida que se necita y la cual es tres litros del gas por revolución (en una vuelta). Al
mismo tiempo, los tres diales secundarios proporcionan valores de medida volumétrica
pero en ordenes de magnitudes mayores (30 litros, 300 litros y 3000 litros), esto se
utilizara para a mediciones valores altos de flujo, ver Figura 7.
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• Termómetro: El medidor de flujo de gas esta dotado de un termómetro en la parte
superior, que brinda la medida de temperatura del gas antes de ser quemado.
• Manómetro: El medidor de flujo de gas esta dotado de un manómetro de mercurio, que
nos muestra la presión del gas antes de quemarse en decimas de pulgada de mercurio.
Al ser este un manómetro de mercurio, posee uno de sus extremos abiertos a la
atmosfera, por lo cual se debe tener mucho cuidado con la presión que se maneje del
gas antes de quemarse. Por esta razón se recomienda que la presión dentro del medidor
de flujo no exceda 30 decimas o 3 pulgadas de mercurio, para evitar derrames y
posibles accidentes.
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Figura 7. Medidor de flujo de gases.
2.6 QUEMADOR DE GASES
El quemador de gases o mechero, ver Figura 1, es el elemento que tiene la función principal
de la combustión del gas, y por medio de esta liberar la energía. El mechero consta de una
boca de entrada la cual debe ser conectada a la salida del medidor de flujo, por medio de
una manguera. Se debe tener presente que esta boca de entrada del quemador de gases
posee una válvula de regulación de flujo, por este motivo se recomienda siempre revisar
que la válvula este completamente abierta para que el valor que proporciona el medidor de
flujo no se vea afectado por esta.
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Al mismo tiempo, el quemador de gas posee un sistema de regulación de aire, el cual nos
brinda la oportunidad de variar la cantidad de aire que entra al proceso de combustión,
garantizando que en el experimento la llama permanezca azul, al variar manualmente la
entrada de aire. También el quemador de gases posee un soporte el cual nos brinda una
localización fija dentro del calorímetro y finalmente consta de una salida del gas en
combustión, la cual será introducida dentro del intercambiador de calor, para garantizar el
intercambio de energía entre los gases de combustión y el flujo de agua.
2.7 RECIPIENTE DE FLUJO CONTASTE DE AGUA
El recipiente de flujo de agua constante, número 6 en la Figura 1, debe como su nombre lo
indica, garantizar un flujo constante de agua dentro del calorímetro y garantizar una presión
contante en la base del calorímetro. Esto se logra con un recipiente de una entrada y dos
salidas de agua, para que en su interior permanezca el agua a un nivel fijo durante el
experimento.
Para garantizar este nivel fijo de agua dentro del recipiente, se tienen dos salidas, una
situada en la parte inferior del recipiente y por la cual se dirige el agua al calorímetro por
medio de una manguera y es la que nos garantiza el flujo de agua a través del calorímetro.
La segunda salida situada a 6.5cm sobre la parte inferior del recipiente y se encarga de
garantizar un nivel constante de agua. Esta segunda salida dirige el agua que la sobrepasa
directamente al desagüe principal, y es gracias a este desborde del agua que dentro del
recipiente se puede mantener un nivel constante de agua, ya que esta salida actúa como una
trampa la cual desaloja la cantidad de agua que la sobrepasa. La entrada y las dos salidas,
fueron hechas con acoples de PVC de una pulgada de diámetro. Para garantizar los 6.5 cm
de la segunda salida a esta se le añadió 8 cm de tubo PVC, detalles de diseño ver Anexo 6.
El esquema general del funcionamiento se puede ver en la siguiente figura:
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Figura 8. Esquema general, recipiente de flujo constante de agua.
Al mismo tiempo que garantizamos el nivel contante dentro del recipiente, para garantizar
una presión constante en la base del calorímetro y de valor igual al que se generó en la
solución de la ecuación 2.1, este recipiente de flujo de agua constante se debe situar a una
altura constante de 1 m del suelo. Finalmente teniendo una presión constante y un nivel
contante de agua dentro del recipiente, se genera un flujo contante de agua dentro del
calorímetro.
Para el diseño y construcción del recipiente de flujo constante de agua, primero se situó el
recipiente de entrada de agua a 1 m de altura para garantizar una presión absoluta en el
fondo del tanque de 12 psi. Esta distancia se logro por medio de un soporte creado con tubo
de aluminio de 1 cm de diámetro por a 1.1 m de altura soportado por una base circular, para
evitar que el recipiente se voltee.
Una vez, calculada su posición se procedió al diseño del recipiente para garantizar un flujo
de agua constante. Esto se logró añadiéndole a un beaker plástico de 500 ml una entrada en
la parte lateral, con el fin de que entrase agua directamente conectada a la fuente de agua, y
dos salidas.
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Se debe tener en cuenta que se tienen dos recipientes uno para la entrada y otro para la
salida, con el fin de garantizar un flujo uniforme a través del calorímetro.
2.8 RECOLECCIÓN DE AGUA
Para la recolección de agua se tienen dos recipientes, el primero es una vasija que sirve
principalmente para la recolección del agua en el experimento, y la segunda es una probeta
de 1000 ml que servirá para determinar la cantidad de agua que se recoge en la vasija y que
se obtuvo en el experimento.
El Calorímetro de flujo Junkers diseñado, se encuentra para su uso, en el laboratorio de
Conversión de Energía, edificio Mario Laserna, sótano 1.
3. PRINCIPIO FÍSICO
El principio físico en el cual se basa el funcionamiento del calorímetro de flujo Junkers es
la transferencia de calor, y con este la conservación de la energía. Inicialmente el
funcionamiento del calorímetro tiene como punto de partida el intercambio de calor entre
los gases de combustión, generados en la quema del gas, y un flujo de agua que circula con
29
flujo constante por dentro del tanque de flujo. El intercambio de calor se logra gracias a una
pequeña caldera pirotubular dispuesta de manera vertical (intercambiador de calor).
En la Figura 2, se puede ver claramente que debido a la alta temperatura de los gases de
combustión, estos tienden a subir dentro del intercambiador de calor, debido a que cuando
se aumenta la temperatura la densidad del gas disminuye, garantizando que los gases de
combustión lleguen a la parte superior del intercambiador, parte en donde se realiza una
ordenada transferencia de calor con el agua que fluye.
Debido a este intercambio de calor los gases pierden energía y temperatura, dando como
resultado un aumento de la densidad y por lo tanto la tendencia a descender. Los gases
descienden por los pequeños tubos verticales y continúan su intercambio de energía con el
agua, dando como resultado que los gases de combustión salgan del calorímetro a una
temperatura cercana a la del agua (temperatura de entrada del agua). Con esto se procede a
realizar el análisis energético para la determinación de las variables que se deben medir y
las constantes a utilizar.
Primero se debe tener en cuenta que este es un proceso continuo y a presión contante, es
decir es un proceso de flujo estacionario, estado estacionario y presión contante. Al mismo
tiempo, para la realización del experimento se asumen dos parámetros, el primero es una
perfecta transferencia de calor entre los gases de la combustión y el flujo de agua por medio
del intercambiador de calor, y el segundo es el no cambio de fase del agua en el proceso de
transferencia de energía.
Con esto se puede establecer una relación física entre el calor absorbido por unidad de
tiempo del agua y el calor cedido por unidad de tiempo de los gases en combustión, esto es:
• Calor absorbido por unidad de tiempo del agua.
30
(3.1)
(3.2)
En donde, para la ecuación 3.1, es el calor absorbido por unidad de tiempo, es el flujo
másico de agua y es la función del cambio de temperatura del agua en el
experimento. Al mismo tiempo, para la ecuación 3.2, se asume que el cambio de
temperatura del agua no supera los 15 ºC, generando la simplificación de la función de
temperatura de la ecuación 3.1, debido a que en este rango la función de temperatura se
comporta como una constante. Las variables de la ecuación 3.2 son que es el calor
específico del agua a presión constante y es el cambio de temperatura del agua en el
experimento.
• Calor cedido por unidad de tiempo por los gases de combustión.
(3.3)
En donde es el calor cedido por unidad de tiempo, es el flujo másico del gas
combustible y es el poder calorífico del gas combustible (en base másica)
Idealmente la cantidad de calor, por unidad de tiempo, que el agua ha absorbido será igual a
la cantidad de calor, por unidad de tiempo, que el gas combustible libera al quemarse,
dando como resultado lo siguiente:
Reordenando:
31
Con la ecuación 3.4 se puede determinar el poder calorífico del gas en combustión,
teniendo en cuenta las restricciones que se enunciaron anteriormente y conociendo que la
toma de datos tiene una incertidumbre que afecta el resultado final. Como se mostrará en el
capitulo siguiente el error propagado no será muy grande y por tal motivo se utilizo este
método para determinar el poder calorífico del gas.
4. TAREAS DEL EXPERIMENTO
Para determinar el poder calorífico del gas en combustión se deben medir los distintos
parámetros enunciados en la ecuación 3.4, es decir se debe saber:
Donde:
Debido a que los valores que van a ser medidos en el experimento son los flujos
volumétricos, se tiene que:
32
Generando:
Donde:
De la ecuación 4.1 podemos asumir los valores de la densidad del agua y del calor
específico del agua como constantes, debido a los numerosos estudios que se han realizado
sobre estos. Estos valores son:
A continuación se explica el procedimiento general para hallar los valores faltantes de la
ecuación 4.1 y la propagación de incertidumbre que se genera debido a la toma de datos en
el experimento. La explicación detallada para el uso del calorímetro se realizará en el
Capitulo 6, el cual explica detalladamente el procedimiento a seguir para la determinación
del poder calorífico de un gas combustible.
Todo el procedimiento de cálculo de las propagaciones de incertidumbre mostradas a
continuación se puede ver en detalle en la referencia [8]
4.1 FLUJOS VOLUMÉTRICOS
Para el cálculo del flujo volumétrico del agua, se debe medir la cantidad de agua (en
mililitros) que pasa por calorímetro en un tiempo dado (1 y 2 minutos). Para determinar el
flujo volumétrico del gas, se debe medir el tiempo de duración (en segundos) de una
revolución del medidor de flujo de gas, y saber que este nos proporciona un volumen de gas
33
de tres litros por revolución. Con esto podemos introducir los datos de volumen y de tiempo
en la ecuación 4.2, y así determinar los flujos volumétricos tanto del agua como del gas:
Con la ecuación 4.2 podemos determinar el flujo volumétrico. Para determinar la
propagación de incertidumbre de cada medición que se toma, se tiene:
4.1.1 Propagación de error de volumen
Para determinar el valor de , se utiliza el valor de medido en el experimento.
4.1.2 Propagación de error del tiempo
Para determinar el valor de , se utilizan los valores de y medidos en el experimento.
Ahora, se calcula la propagación de error del flujo volumétrico, remplazando en la
siguiente ecuación los datos anteriormente calculados.
(4.3)
34
Se debe tener en cuenta que el valor del flujo volumétrico sea el valor obtenido de la
ecuación 4.2 con los valores medidos en el experimento, y la incertidumbre que se calculó
con la propagación de error de los datos medidos, es decir:
(4.4)
Se utiliza esta ecuación para el flujo volumétrico del agua y del gas.
4.2 DENSIDAD DEL GAS
Para determinar la densidad del gas se realizar por medio de la siguiente ecuación:
Donde:
Los datos de la presión y la temperatura son medidos por medio del medidor de flujo y el
peso molecular y la constante universal de los gases deben ser obtenidos por una
investigación preliminar, y el valor de la constante universal de los gases es la siguiente:
Con la ecuación 4.5 podemos determinar la densidad del gas combustible. Para determinar
la propagación de incertidumbre de cada medición que se toma, el procedimiento es el
siguiente:
4.2.1 Propagación de error de la presión
35
Para determinar el valor de , se utiliza el valor medido en el experimento y los valores
de y investigados.
4.2.2 Propagación de error de la temperatura
Para determinar el valor de , se utilizan los valores y medidos en el experimento y
los valores de y investigados.
Ahora, se calcula la propagación de error total, realizando el procedimiento similar al que
se realizo para el flujo volumétrico:
(4.6) Se debe tener en cuenta que el valor del flujo volumétrico sea el valor obtenido de la
ecuación 4.2 con los valores medidos en el experimento, y la incertidumbre que se calculó
con la propagación de error de los datos medidos, es decir:
(4.7)
4.3 MEDICIÓN DEL CAMBIO DE TEMPERATURA
Para determinar el cambio de temperatura, se deberá medir simultáneamente la temperatura
de entrada y salida del agua del calorímetro de flujo. Las mediciones se realizarán con el
termómetro digital, al cual se le conectan los cables de termopares salientes del calorímetro,
36
se deben realizar 6 mediciones. Los datos se deben agrupar en la Tabla 1, y se les debe
calcular la media y la desviación estándar:
Tabla 1. Tabla para la toma de datos
Medición de temperatura INICIAL [ ºC ] FINAL [ ºC ]
1 2 3 4 5 6
Promedio Temperatura
Para determinar los valores medios y las desviaciones estándar, se asume que se comportan
como una función normal o gaussiana, donde el valor medio y la desviación estándar son:
• Valor medio
• Desviación estándar
Teniendo los valores de la media y la desviación estándar de los datos de inicio y fin, el
cálculo del cambio de temperatura es el siguiente:
Simplificando,
37
Como se puede ver la tolerancia de error es igual a más o menos tres veces la desviación estándar a partir de la media [6], esto asegura que 99.73% de la población este dentro de la tolerancia natural.
4.4 PODER CALORÍFICO
Para determinar el poder calorífico, el cual es el objetivo principal de este proyecto, se debe
determinar los siguientes valores:
Como estos valores no pueden medir directamente en el experimento, se tiene la siguiente
ecuación para el cálculo del poder calorífico.
Donde:
La propagación de incertidumbre se muestra a continuación.
4.4.1 Propagación de error del flujo volumétrico de agua
38
Para determinar el valor de , se utilizan los valores , y medidos en el
experimento y los valores de y teóricos.
4.4.2 Propagación de error del cambio de temperatura del agua
Para determinar el valor de , se utilizan los valores , y medidos en el
experimento y los valores de y investigados.
4.4.3 Propagación de error de la densidad del gas
39
Para determinar el valor de , se utilizan los valores , , y medidos en
el experimento y los valores de y investigados.
4.4.4 Propagación de error del flujo volumétrico de gas
Para determinar el valor de , se utilizan los valores , , y medidos en el experimento y los valores de y investigados.
Ahora, se calcula la propagación de error total, realizando el procedimiento similar al que
se realizo para el flujo volumétrico:
Se debe tener en cuenta que el valor del flujo volumétrico sea el valor obtenido de la
ecuación 4.2 con los valores medidos en el experimento, y la incertidumbre que se calculó
con la propagación de error de los datos medidos, es decir:
40
5. INSTRUMENTOS Y EQUIPOS NECESARIOS
Para la realización del experimento se deben alistar los siguientes instrumentos:
• Calorímetro de Flujo Junkers
41
Figura 9. Ensamble final del calorímetro de flujo.
• Medidor de temperatura digital, Microprocessor thermometer Model HH23
(cantidad 1)1.
• Cronometro digital.
• Probeta de 1000 ml.
• Recipientes de recolección de agua (suministrados con el calorímetro)
6. PROCEDIMIENTO PARA EL CÁLCULO DEL PODER CALORÍFICO DE UN GAS, POR MEDIO DEL USO DE UN CALORÍMETRO DE FLUJO
JUNKERS
A continuación se exponen los pasos que se deben seguir para el desarrollo adecuado del
experimento del cálculo de poder calorífico de un gas. Se debe tener muy presente las
acciones preliminares y las precauciones, esto para evitar posibles accidentes en el
desarrollo de la práctica.
6.1 ACCIONES PRELIMINARES
• Revise la fuente de agua. Asegúrese de tener una fuente de agua, a temperatura
ambiente, lo suficientemente grande, que garantice un suministro continuo de agua
durante el desarrollo del experimento.
• Revise la fuente de gas combustible. Asegúrese de tener una fuente constante de gas
combustible, al cual se le va a calcular el poder calorífico, donde se garantice un
suministro continuo de gas durante el desarrollo del experimento.
1 Para ver las especificaciones, ver anexo 3.
42
• Revise el quemador de gases. Asegúrese antes de abrir la llave de suministro de gas
combustible, que la válvula de entrada del gas al quemador de gases este totalmente
abierta. Esto con el fin de no elevar demasiado la presión (mas de tres pulgadas de
mercurio) dentro del medidor de flujo y así no tener problemas con el manómetro.
• Calibración. Se debe revisar que el nivel de agua del medidor de flujo de gases este de
acuerdo a las normas ASTM (ASTM D 1071-83), numerales 8 y 17. Al mismo tiempo,
se debe revisar que el medidor de flujo tenga el nivel óptimo de mercurio en el
manómetro y que éste contenga el termómetro ajustado en su parte superior.
• Propiedades físicas del gas combustible. Debe hacerse una investigación previa de las
propiedades físicas del gas combustible, en especial se debe saber el peso molecular del
gas.
• Hermeticidad. Asegúrese que el calorímetro de flujo no tenga fugas de agua para el
desarrollo de la práctica. Esto se logra dejando por tres minutos el tanque de flujo lleno
de agua, si no se presentan fugas, se está cumpliendo con la hermeticidad. Al mismo
tiempo, asegúrese que el termómetro del medidor de flujo de gases este ajustado y que
el manómetro posea la cantidad optima de mercurio para evitar perdidas de gas en el
experimento.
• Medidores de temperatura. Conecte los cables del medidor digital de temperatura,
teniendo en cuenta que el cable de entrada (situado en la parte inferior del tanque de
flujo) es la conexión uno, y el cable de salida (situado en la parte superior del tanque de
flujo) es la conexión dos. Después de estar conectados revise que las dos mediciones de
temperatura, que se muestran en la pantalla del medidor tiendan a un valor cercano y
asegúrese que después de introducir el quemador de gases dentro del calorímetro, la
medición de temperatura del cable de salida aumente. Si alguna de estas dos
43
condiciones no se presenta, puede ser que algún cable del medidor de temperatura este
dañado o en su defecto el medidor de temperatura este fallando.
• Mangueras. Asegúrese de conectar correctamente las mangueras que salen del
recipiente de flujo de agua constante. Como se muestra en el Anexo 6, el recipiente de
flujo de agua constante posee una entrada (en la parte lateral del recipiente) y dos
salidas (una a ras de la base y otra a 6.5 cm de la base). Conecte la manguera de la
entrada del recipiente 1 de flujo de agua a la fuente de agua, al mismo tiempo conecte la
manguera de la salida 1 a la entrada de agua del calorímetro de flujo y la manguera de
la salida 2 diríjala al desagüe de agua, ver Figura 8. Al contrario, el recipiente de flujo
de agua constante 2 que se encuentra en la salida de agua del calorímetro, sólo posee
una manguera que debe ser dirigida a la zona de desagüe, mientras no se este haciendo
mediciones, ya que por medio de esta se deberá hacer las mediciones de flujo
volumétrico de agua.
Al mismo tiempo, revise la conexión de las mangueras que transportan el gas
combustible. Asegúrese que la manguera trasparente este conectada a la fuente
principal de gas a la entrada del medidor de flujo de gas, y que la manguera azul
este conectada de la salda del medidor de flujo a la entrada del quemador de gases,
ver Figura 6. Tenga precaución, de no equivocarse, en la entrada y salida del
medidor de flujo.
6.2 DETERMINACIÓN DEL FLUJO VOLUMÉTRICO DEL AGUA
Abra la llave de suministro principal de agua y déjela circular libremente por el calorímetro
de flujo. Mientras se llena el tanque de flujo, aumente el suministro de agua (abriendo mas
la llave) hasta que el nivel del agua este a ras de la salida 2 en el recipiente 1 de flujo de
agua constante. Una vez, el nivel de agua este a nivel de la salida 2, ajuste la tasa de flujo
44
del agua (desde la fuente principal de agua) de manera que solamente una pequeña cantidad
de agua sea desechada al drenaje por la salida 2 del recipiente 1 de flujo de agua constante.
Espere hasta que salga agua por la salida del recipiente de flujo de agua constante 2 y
cerciórese que en este proceso no debe existir aire atrapado en las líneas (mangueras) de
agua del calorímetro.
Una vez, el agua fluye por el calorímetro a un flujo constante, se procede a realizar la
medición del flujo volumétrico. Mida con el cronometro un minuto, y recoja el agua (agua
que desaloja el calorímetro por la manguera del recipiente de flujo de agua constante 2) que
fluyo por el calorímetro en ese minuto, luego mida cuanta agua recogió en este minuto con
la ayuda de la probeta de 1000 ml. Para garantizar una buena medición, repita el
procedimiento anterior pero en este caso mida con el cronometro dos minutos, y recoja el
agua que fluyo a través del calorímetro en estos dos minutos, finalmente mida la cantidad
de agua con la probeta de 1000 ml.
Una vez teniendo el volumen de agua que fluyo por el calorímetro y el tiempo que se
demoro en fluir, se introducen estos datos en la ecuación 4.2, y se determina el flujo
volumétrico del agua. Como se tomaron dos mediciones, el flujo volumétrico será el
promedio de las dos.
6.3 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DEL GAS
Abra la llave de suministro de gas, y empezará a ver que el dial principal del medidor de
flujo empieza a girar, esto significa que el medidor de flujo de gas esta haciendo su trabajo.
Con la válvula de entrada de gas del quemador de gases totalmente abierta, deje circular el
gas libremente (sin encender el quemador de gases) por una revolución del medidor de
flujo. Esto se hace para garantizar que el agua dentro del medidor de flujo de gas se sature
45
del gas combustible, y posteriormente no se tengan problemas para la ignición del gas. En
el tiempo que se demora en dar una revolución el dial principal observe los valores de
decimas de pulgada de mercurio del manómetro y la temperatura que suministra el
termómetro del medidor de flujo. Estos datos corresponden a propiedades físicas del gas
combustible.
Tenga cuidado que el valor de la presión del gas esta en decimas de pulgada de mercurio
por tal motivo debe realizarse la conversión a Pascales o Psi, según el sistema de medición
que este usando (SI o US).
•
•
Al mismo tiempo tenga cuidado con la medición de la temperatura, ya que esta se lee en
grados centígrados y en la ecuación 4.5 se debe introducir el valor en grados kelvin.
•
Finalmente teniendo todos los valores de la ecuación 4.5, proceda a introducirlos en la
ecuación y calcular la densidad del gas combustible.
6.4 DETERMINACIÓN DEL FLUJO VOLUMÉTRICO DEL GAS COMBUSTIBLE
Después de haber tomado los datos de las propiedades físicas del gas combustible, al
empezar la segunda vuelta de revolución del dial principal, encienda el cronometro y mida
el tiempo que se demora en dar un vuelta completa o revolución el dial principal. Al tener
46
la medición del tiempo que se tardo, se debe proceder a introducir estos datos en la
ecuación 4.2, ya que conoce la cantidad de volumen de gas (3 litros de gas por vuelta) por
revolución y el tiempo se tardo en dar la revolución.
6.5 CALIBRACIÓN DE LLAMA AZUL
Después de haber tomado los datos de las propiedades físicas del gas combustible, al
empezar la tercera vuelta de revolución del dial principal, se debe encender el quemador de
gases. Luego, en esta misma vuelta de revolución (tercera vuelta), calibre la llama del
quemador de gases hasta que esta tenga la apariencia de llama azul, esto se hace girando la
válvula de flujo de aire que se encuentra en la parte inferior del quemador de flujo. Para el
experimento se necesita la llama azul, ya que esta nos indica que hay un exceso de aire en
el proceso de combustión, garantizando que se esta quemando la mayor cantidad de
combustible, es decir se esta realizando un buen proceso de combustión. Por tal motivo, se
recomienda que la válvula de flujo de aire este totalmente abierta, ya que es en este punto la
llama se tornará azul.
6.6 DETERMINACIÓN DEL CAMBIO DE TEMPERATURA
Después de calibrar la llama azul del quemador de gases, revise el funcionamiento del
medidor de temperatura, como se enuncio en el numeral 6.1. Luego introduzca el quemador
de gases dentro de la cavidad principal del calorímetro de flujo y sitúelo lo más adentro
posible, sujetándolo con su soporte a la varilla principal del calorímetro, ver Anexo 6. Debe
tener mucho cuidado que la llama en el interior del calorímetro no se apague, esto se logra
colocando la válvula de salida de gases de combustión (que se encuentra en el anillo de
selle) a 45 grados y observando un aumento gradual de la temperatura en el agua de salida
del calorímetro (medición de temperatura de la conexión 2). Si alguna de las dos anteriores
observaciones no se presenta, retire el quemador de gases y ventile la zona.
47
Después de la cuarta vuelta del medidor de flujo, observe si la temperatura de la conexión 2
(temperatura del agua de salida del calorímetro) se estabiliza en un valor constante, si no es
así, espere otra vuelta del medidor de flujo.
Finalmente, coloque el medidor de temperatura digital y tome los datos de 6 temperaturas
de entrada y salida, respectivamente. Con esto usted podrá obtener un promedio del cambio
de temperatura debido al intercambio de calor entre el gas en combustión y el flujo de agua.
Estos deben ser puestos la Tabla 1, con su respectivo cálculo del valor medio y desviación
estándar.
Se debe tener en cuenta que, en el trayecto de descenso de los gases de combustión, el agua
que se produce por la combustión, es condensada y gotea dentro del intercambiador hacia el
colector en la parte inferior del calorímetro. Por tal motivo, se debe colocar un recipiente
debajo del quemador de gases para recoger esta agua.
Al finalizar los anteriores pasos, retire y cierre todos los ductos de suministro de algún
producto. Asegúrese que no quede llave abierta, y proceda al cálculo final del poder
calorífico del gas combustible con la ecuación 4.1, y determine la propagación de
incertidumbre.
6.7 PRECAUCIONES
48
Revise la fuente de agua, ya que si se presenta un déficit de agua a través del calorímetro
mientras se realiza el experimento, se pueden ocasionar daños permanentes en el
calorímetro.
Si en determinado momento usted se da cuenta que el quemador de gases esta apagado
dentro del calorímetro, no intente prender este. Sólo, retírelo de la zona y ventile la misma,
esto con el fin de evitar explosiones y posibles problemas.
49
7. RESULTADOS CON GAS NATURAL
Para probar el funcionamiento del calorímetro de flujo Junkers diseñado y construido, se
procedió a realizar un ensayo con gas natural en la ciudad de Bogotá. Teniendo en cuenta
que el gas natural de Bogotá tiene las siguientes propiedades [9]:
• Densidad:
• Peso molecular:
• Poder calorífico: depende de la pureza de CH4.
Hay que tener en cuenta, que el objetivo principal es determinar el poder calorífico del gas,
en este caso el gas natural de Bogotá, y por otra parte demostrar que el valor obtenido, por
medio del calorímetro de flujo Junkers, es un valor que se encuentra dentro del rango que
se proporciona por Ecopetrol [9], la cual es la empresa encargada de suministrar este gas.
Al realizar el procedimiento descrito en el capitulo 6, los resultados obtenidos fueron los
siguientes:
50
7.1 ACCIONES PRELIMINARES
Se investigó las propiedades del agua y del gas natural, obteniendo los siguientes valores.
•
•
•
•
Al mismo tiempo, se realizaron todos los puntos preliminares que se enuncian en la sección 6.1.
7.2 DETERMINACIÓN DL FLUJO VOLUMÉTRICO DEL AGUA
7.2.1 Primera Medición
Para 1 minuto (60 segundos) se obtuvo 1400 ml de agua, generando un flujo volumétrico de
agua de:
7.2.2 Segunda Medición
Para 2 minutos (120 segundos) se obtuvo 2800 ml de agua, generando un flujo volumétrico
de agua de:
Finalmente obteniendo el promedio entre los dos flujos volumétricos, podemos determinar
el flujo volumétrico del agua:
Para calcular la propagación de error, ver Capitulo 4.
51
7.2.3 Propagación del error del volumen
Para determinar el valor de , se utiliza el valor de medido en el experimento.
7.2.4 Propagación de error del tiempo
Para determinar el valor de , se utilizan los valores de y medidos en el experimento.
Ahora, se calcula la propagación de error del flujo volumétrico, remplazando en la
siguiente ecuación los datos anteriormente calculados.
Generando:
Para los siguientes cálculos, sólo se mostrara el resultado de la propagación, pero el
procedimiento es el mismo que se realizo con el flujo volumétrico del agua.
52
7.3 DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DEL GAS
En el proceso de medición de las propiedades físicas del gas se obtuvieron los siguientes
valores observando el medidor de flujo:
• Presión del gas:
• Temperatura del gas:
Con estos valores y con los determinados en la fase preliminar (valor del peso molecular y
valor de contante universal) se procede a calcular la densidad del gas con:
•
•
•
•
Realizando el cálculo de propagación de error, el resultado final es:
7.4 DETERMINACIÓN DEL FLUJO VOLUMÉTRICO DEL GAS COMBUSTIBLE
Sabiendo que por vuelta de revolución, el medidor de flujo de gas nos suministra tres litros
de gas, se procedió a medir el tiempo que se demora el dial principal en dar una revolución.
53
Este tiempo medido fue 1 minuto y 41 segundos (101 segundos). Con estos datos
procedemos al cálculo del flujo volumétrico del gas combustible.
Realizando el cálculo de propagación de error, el resultado final es:
7.5 CALIBRACIÓN DE LLAMA AZUL
En la calibración de la llama azul, se aseguró que la llama del quemador de gases estaba
azul en la realización del experimento.
7.6 DETERMINACIÓN DEL CAMBIO DE TEMPERATURA
Las temperaturas medidas en el proceso fueron las siguientes:
Tabla 2. Valores Obtenidos experimentalmente con el gas natural
Medición de temperatura INICIAL [ ºC ]
FINAL [ ºC ]
1 18,8 27,8 2 18,9 27,5 3 18,9 27,8 4 18,8 28 5 18,8 27,7 6 18,8 27,5
Promedio Temperatura 18,83 27,72
Para determinar los valores medios y las desviaciones estándar de los valores inicial y final,
proceda a hacer el procedimiento descrito en la sección 4.3 y 6.3.
54
• Valores medios.
• Desviación estándar.
Teniendo los valores de la media y la desviación estándar de los datos de inicio y fin, el
cálculo del cambio de temperatura es el siguiente:
Finalmente:
7.7 DETERMINACIÓN DEL PODER CALORÍFICO
Con los datos calculados en el experimento, que se muestran a continuación, se procede a
realizar el cálculo del poder calorífico.
•
•
55
•
•
•
• .
Generando:
Realizando el cálculo de propagación de error, el resultado final es:
8. CONCLUSIONES
• Después de realizar un diseño detallado de cada una de las partes, y probar su
funcionamiento en conjunto, se pudo usar el calorímetro de flujo Junkers construido
para realizar pruebas en conjunto con gas natural, generando al final de la toma de
datos, un error no superior al 6 %. Con esto se puede concluir que el calorímetro
diseñado es una buena herramienta para determinar el poder calorífico de los gases y
56
para uso del laboratorio de conversión de energía de la Universidad de los Andes, ya
que su propagación de error no es mínima.
• Se pudo demostrar que el valor experimental obtenido del poder calorífico esta dentro
del rango teórico del poder calorífico del gas natural de Bogotá. Garantizando que el
calorímetro de flujo esta funcionando adecuadamente y que sus resultados son aptos
para la investigación.
• Se pudo construir y reparar el calorímetro de flujo Junkers, teniendo en cuenta todas las
enseñanzas adquiridas durante estos años de estudio.
9. BIBLIOGRAFÍA [1] Calorímetro, información obtenida de http://es.wikipedia.org/wiki/ [2] Acevedo Danner, Juan Carlos; director: Rafael Beltrán Pulido. Calorímetro de flujo:
Calorímetro Junkers. Tesis Universidad de los Andes, 1995.
[3] Obtenido de Calorímetro de gases de escape de:
http://www.gunt.de/networks/gunt/sites/s1/mmcontent/produktbilder/06310011/Datenbl
att.pdf.
[4] White, Frank M. Fluid mechanics, Quinta edición, 2003.
[5] Obtenido de presión Bogotá, de:
http://planetariodebogota.gov.co/ninos/answer.php?id=309
57
[6] Shigley, Joseph Edward. Diseño en ingeniería mecánica, Cuarta edición, 1997.
[7] Hibbeler, Russell Charles. Mecánica de materiales. Sexta edición, 2004
[8] Beckwith, Thomas G., Mechanical Measurements, Quinta Edición, 1993.
[9] Información obtenida de Gas Natural, de www.ecopetrol.com.co
[10] Obtenida de WATER, de: www.matweb.com
[11] Obtenido de Productos, de: http://www.pazdelrio.com.co
[12] Obtenido de Model HH23, de:
http://www.omega.com/manuals/manualpdf/M0739.pdf
[13] Atkins, Peter William. Chemical principles: the quest for insight, cuarta edición,
2008.
ANEXO 1. PROPIEDADES DEL AGUA.
Tabla 3. Tabla de propiedades del agua. [10] Physical Properties Metric English Comments Density
0.99823 g/cc
0.036063 lb/in³
Value at 20°C is 0.99823 g/cc. Value at 100°C is 0.95838 g/cc. Value at 0°C is 0.99987 g/cc.
pH 7.00 7.00
Viscosity 1.002 cP 1.002 cP at 20°C
Molecular Weight 18.015 g/mol 18.015 g/mol
Vapor Pressure 0.023378 bar 17.535 torr at 20.0°C
Critical Pressure 221.2 bar 165900 torr
58
Critical Temperature
374.1 °C 705.4 °F
Electrical Properties Metric English Comments Dielectric Constant 79.0 79.0 Value for H2O at 25°C. Value for
D2O at 25°C is 77.9.
Thermal Properties Metric English Comments Heat of Fusion 333.55 J/g 143.49 BTU/lb
Heat of Vaporization 2258 J/g 971.3 BTU/lb
CTE, linear 20°C ‐23.0 µm/m‐°C @Temperature 0.000 °C
‐12.8 µin/in‐°F @Temperature 32.0 °F
29.3 µm/m‐°C @Temperature 10.0 °C
16.3 µin/in‐°F @Temperature 50.0 °F
69.0 µm/m‐°C @Temperature 20.0 °C
38.3 µin/in‐°F @Temperature 68.0 °F
153 µm/m‐°C @Temperature 50.0 °C
85.0 µin/in‐°F @Temperature 122 °F
250 µm/m‐°C @Temperature 100 °C
139 µin/in‐°F @Temperature 212 °F
Specific Heat Capacity
4.1819 J/g‐°C 0.99950 BTU/lb‐°F at 20°C. Value at 0°C is 4.2177 J/g‐K. Value at 100°C is 4.2160 J/g‐K.
Thermal Conductivity
0.609 W/m‐K 4.23 BTU‐in/hr‐ft²‐°F 27°C
Melting Point 0.000 °C 32.0 °F
Boiling Point 100 °C 212 °F
Optical Properties Metric English Comments
Refractive Index 1.33299 1.33299 at 20°C. Value at 100°C is 1.31783. Sodium light (lambda = 0.5893)
59
ANEXO 2. PROPIEDADES ACERO INOXIDABLE [11]
NORMAS DE CALIDAD CERTIFICADA ICONTEC - NTC 5, 6, 7, 1920 NORMAS DE REFERENCIA ASTM: A635, A1011, A568, A36
Definición: Láminas en hojas y bobinas de Acero al carbono. Laminada en caliente, espesor comprendido entre 1.9mm y 76mm.
Especificaciones Técnicas:
Tabla 4.Composición Química (Análisis de Colada %) DENOMINACIÓN C Mn P máx. S máx.
AISI-1006 0,08 max 0,45 máx 0,030 0,035 AISI-1008 0,10 max 0,50 máx 0,030 0,035 AISI-1010 0,08/0,13 0,30/0,60 0,030 0,035 AISI-1015 0,12/0,18 0,30/0,60 0,030 0,035 ASTM A-1011,CS, tipo B 0,02/0,15 0,60 máx 0,030 0,035 ASTM A-1011,SS Gr30/33/36/40 * 0,25 max 0,90 máx 0,035 0,040
ASTM A-36 0,25 max 1,20 máx 0,040 0,040 ASTM A-283 0,24 max 0,90 máx 0,040 0,040 ASTM A-572 Gr 50 0,23 max 1,35 máx 0,040 0,040 ASTM A-1011, HSLAS, Gr 50* 0,23 max 1,35 máx 0,040 0,040 ASTM A-588 Gr K 0,17 max 0,50/1,20 0,040 0,040 NTC 9 Gr 295 (JIS 3116 Gr 30) 0,20 max 1,00 máx 0,040 0,040 * Tipo 1
Tabla 5. Propiedades Mecánicas
DENOMINACIÓN Límite
Fluencia kgf/mm2
Resistencia kgf/mm2
Elongación (% en 50 mm)
ASTM A-1011,SS, Gr 36 * ASTM A-1011,SS, Gr 40 ASTM A-36 ASTM A-283 Gr C ASTM A-572 Gr 50 ASTM A-1011,HSLAS, Gr 50**ASTM A-588 Gr K NTC 9 Gr 295
25,5 mín 28,0 mín 25,5 mín 21,0 mín 35,5 mín 35,5 mín 35,2 mín 30,0 mín
37,2 mín 38,7 mín 40,8 / 56,2 mín38,5 / 49,0 mín46,0 mín 46,0 mín 49,5 mín 45,0 mín
22 mín 21 mín 23 mín 25 mín 22 mín 22 mín 21 mín 26 mín
* Designación anterior: ASTM A-570 Grado 36 ** Designación anterior: ASTM A-607 Grado 50
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Doblado: Se garantiza según lo especificado en cada una de las normas ANEXO 3. PROPIEDADES DEL TERMÓMETRO DIGITAL [12] ESPECIFICACIONES DEL TERMÓMETRO DIGITAL - THERMOCOUPLE INPUTS: 2 (T1, T2) miniature TC connectors.
- THERMOCOUPLE TYPES: K, J, T - READOUT: T1, T2, T1-T2, and SCAN (T1, T2, T1-T2). - ACCURACY: (18°C to 28°C ambient, 2 years, excludes thermocouple error). - REPEATABILITY: ±0.2°C typical for 1 week at constant ambient temperature. - TEMPERATURE COEFFICIENT: 18°C to 28°C; included in accuracy specification.
From 0°C to 18°C, and 28°C to 50°C; less than ±(0.02% rdg + 0.1°C)/°C. - ENVIRONMENTAL LIMITS FOR OPERATING: 0°C to 50°C, less than 80% relative
humidity (R.H.) up to 35°C; reduce R.H. limit by 3%/°C from 35°C to 50°C.
- ENVIRONMENTAL LIMITS FOR STORAGE: –35°C to 60°C, less than 90% relative humidity (R.H.) up to 35°C; reduce R.H. limit by 3%/°C from 35°C to 60°C.
- INPUT CURRENT: 50 nA typical. - READING RATE: (T1, T2, T1-T2); 1 reading/second typical, all parameters. - MAXIMUM COMMON MODE VOLTAGE: 42V peak to earth. - POWER: 9 volt transistor battery (NEDA 1604). - BATTERY LIFE, CONTINUOUS: 50 hrs typical, carbon-zinc; 100 hrs typical,
alkaline; 200 hrs typical, lithium; 15 hrs typical, Ni-Cd (rechargeable). - BATTERY INDICATOR: Display indicates BAT when less than 10% of life remains.
- DISPLAY: 5 digit LCD, 0.4" height. Polarity indication and decimal point.
Annunciators • Readout Parameter: T1, T2, T1-T2, SCAN • Record Parameter: MIN or MAX (when viewing recorded data). • Readout Scale: °F, °C • TC Type: K, J, T • Hold (when activated)
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• Reading Trend: up-arrow for increasing readings, down-arrow for decreasing readings. Both arrows on for stable reading. • Record MIN/MAX readings for T1, T2, and/or T1-T2. Flashing annunciator indicates data being collected. Steady annunciator indicates data available, but not being up-dated.
- KEYPAD: 9 momentary switches with tactile feedback select; • Power ON/OFF • Readout: T1, T2, T1-T2, or SCAN • TC type: K, J, T • Readout scale: °F/°C • Resolution: 0.1°/1° • Display Hold • Record MIN/MAX • View MIN/MAX • Stop recording MIN/MAX (first keystroke), clear recorded MIN/MAX (second keystroke)
- POWER OFF CONFIGURATION RETENTION: Instrument retains last selected; • Readout: T1, T2, T1-T2, SCAN • TC type: K, J, T • Resolution: 0.1°/1° • Scale: °F/°C
- DIAGNOSTICS: Display codes indicate the following conditions: • Low Battery: ‘BAT’ • Open Thermocouple(s): ‘OPEN’ • Invalid Keypad Entry: Momentary ‘E-1’ • Temperature Reading exceeds TC Rating: ‘E-2’ • Internal Hardware Fault: ‘E-3’ (consult factory) • LCD Test: During power-up, all segments/annunciators turned on momentarily.
- ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY: Add ±0.5% of range to accuracy specifications for RF fields up to 1 volt/meter. Accuracy not specified for fields greater than 1 volt/meter.
- DIMENSIONS, WEIGHT: 7.0" x 2.9" x 1.1". Net weight 10 oz.
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ANEXO 4. PROPIEDADES GASES [13]
GAS FORMULA PESO MOLECULAR
(gr/mol)
Metano CH4 16,04
Etano C2H6 30
Propano C3H8 44
butano C4H10 58,08
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ANEXO 5. ECOPETROL [9]
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ANEXO 6. PLANOS DETALLADOS DE DISEÑO
Figura 10. Vista tridimensional del calorímetro en Solid Edge.
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