El documento describe un experimento realizado en el Laboratorio N°5 de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Ingeniería para determinar el poder calorífico de un combustible líquido utilizando una bomba calorimétrica. El objetivo era medir el poder calorífico del combustible y obtener conocimientos sobre el manejo del equipo. Se explican conceptos como poder calorífico superior, poder calorífico inferior y el funcionamiento de una bomba calorimétrica para realizar la medición calorimétrica.
Historia de la Arquitectura II, 1era actividad..pdf
Poder calorífico 3
1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
LABORATORIO N° 5
EXPERIENCIA DE LABORATORIO N° 2
DETERMINACIÓN DEL PODER CALORÍFICO
Jorge Favio SIFUENTES SANCHO
Julio – 2014
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LABORATORIO N° 5
CONTENIDO
Página
1. INTRODUCCIÓN
2. OBJETIVO
3. FUNDAMENTO TEÓRICO
4. PROCEDIMIENTO
5. ENSAYO
6. RESULTADOS
7. CONCLUSIONES
8. RECOMENDACIONES
9. CUESTIONARIO
10. MATERIAL DE REFERENCIA
11. ANEXOS
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EXPERIENCIA DE LABORATORIO N° 2
DETERMINACIÓN DEL PODER CALORÍFICO
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad los combustibles fósiles constituyen la principal fuente de
energía primaria para la industria. Durante el proceso de combustión la
energía química del combustible es transformada en energía molecular
cinética o potencial de los productos.
Los productos pueden producir trabajo directo o indirectamente, o actuar
como almacenes de calor. El término relativo a la energía, más común,
asociado con la combustión es el Valor Calorífico o Poder Calorífico.
La mayoría de los combustibles contiene hidrógeno el que al quemarse
produce vapor de agua. En el proceso de enfriamiento de los productos
condénsase cierta cantidad de éste vapor de agua, según las condiciones.
Dado que el vapor de agua libera calor al condensarse, el valor calorífico de
un combustible depende de la cantidad de vapor de agua que se condensa
durante el enfriamiento de los productos de combustión. Los valores
caloríficos varían entre un valor mínimo (PCI), cuando no hay condensación
de agua, y una valor máximo, cuando hay condensación completa (PCS).
El valor calorífico obtenido sin condensación de los vapores se denomina
Valor Calorífico Inferior (o neto). El valor calorífico máximo obtenido cuando la
condensación de los vapores es completa, se denomina Valor calorífico
superior (o bruto).
Son raras las condiciones de combustión que dan lugar a uno u otro valor
extremo. Cuando los productos se enfrían hasta la temperatura original, la
cantidad de condensación y, por lo tanto, el valor calorífico, depende de la
relación de aire-combustible original, la humedad del aire de combustión, la
temperatura del aire, y la presión barométrica.
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Con tantas variables se comprende que, para cada combustible dado, cada
proceso de combustión tiene su propio valor calorífico, y debe ser determinado
para condiciones dadas. Para eliminar la necesidad de usar un valor calorífico
variable, se usan como valores normales los valores calorífico superior e
inferior.
Poder Calorífico Superior (PCS): Es la cantidad total de calor desprendido
en la combustión completa de combustible, cuando el vapor de agua originado
en la combustión está completamente condensado. [Kcal / kg], [Kcal / m 3].
Poder Calorífico Inferior (PCI): Es la cantidad total de calor desprendido en
la combustión completa de combustible, cuando toda el agua en los productos
permanece como vapor. [Kcal / kg], [Kcal / m 3
].
Al determinarse los aumentos de temperatura resultantes de la combustión,
debe usarse el poder calorífico inferior, dado que el calor latente del vapor no
puede contribuir al aumento de temperatura.
El rendimiento térmico, basado en el combustible, defínase como la relación
del efecto útil producido por los productos de la combustión al valor calorífico
del combustible. El efecto útil puede ser, por ejemplo, el calor recibido por: El
fluido (aire) en una cámara de secado, el fluido recibido en una terma de agua
caliente, el fluido (agua o alimentos) en una cocina.
La energía química está asociada con una reacción química. Para los
combustibles, se toma como energía química la que posee el combustible y
que es liberada durante el proceso de combustión completa. Ésta energía es
una cantidad fija para cada combustible dado, y es independiente tanto de las
condiciones iniciales de la mezcla aire-combustible como de la naturaleza del
proceso de combustión.
La energía química que posee el combustible, y que es liberada durante la
combustión; parte de ésta energía puede transformarse en trabajo, parte
puede ser removida como calor de los productos, y parte puede ser poseída
por estos productos. El valor calorífico es el calor que puede ser removido de
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los productos, y no coincide por lo tanto, con la energía química, la que es
energía almacenada.
Sin embargo, en los raros casos en que la suma de las energías moleculares
cinética y potencial es igual a la suma de las de la mezcla de aire-combustible
a la temperatura dada, la energía química es numéricamente igual al valor
calorífico.
El calor de reacción es el calor que debe de extraerse de los productos de
cualquier reacción para enfriar los productos a la temperatura original. El calor
de reacción difiere del valor calorífico, en cuanto que el valor calorífico está
restringido a los combustibles y se usa en relación con los procesos de
combustión completa. Para la combustión completa de un combustible, el
calor de reacción coincide con el valor calorífico.
El calor de reacción normal es el calor de reacción en condiciones de: 20 [°C]
de temperatura y 1,033 [kg/cm 2] de presión absoluta.
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2. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL: Determinar el Poder Calorífico de un combustible
líquido, mediante ensayo en la Bomba Calorimétrica de Emerson, en el
Laboratorio N°5 UNI-FIM, para ser usado en el cálculo del rendimiento térmico
de equipos y dispositivos.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS: Lograr conocimientos y pericia en el manejo del
equipo e instrumentos de la Bomba Calorimétrica y reconocer que tipo de
Poder Calorífico se obtiene del proceso de la combustión en la Bomba.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO
El Poder Calorífico de un combustible es la cantidad de calor que se puede
obtener de un combustible cuando se quema en forma completa y sus
productos son enfriados hasta la temperatura original de la mezcla aire-
combustible. [Kcal/kg], [Kcal / m 3].
Figura N° 1. Poder Calorífico de un combustible
Fuente: Elaboración propia
Entre los productos de la combustión está presente vapor de agua, el cual,
dependiendo de la temperatura de los productos, puede permanecer como
vapor, puede condensar parcialmente o condensarse completamente.
COMBUSTIÓN
REACTIVOS PROCESO PRODUCTOS
1 g de combustible
Aire
GASES
DE LA
COMBUSTIÓN
CALOR = PODER CALORÍFICO
T = 25 °C T = 25 °C
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Como el vapor al condensarse libera calor, mientras más condensado se
forme, mayor calor se estará obteniendo del combustible. Esto permite
diferenciar entre Poder Calorífico Superior y Poder Calorífico Inferior.
Poder Calorífico Superior (PCS): Es la cantidad total de calor desprendido
en la combustión completa de combustible, cuando el vapor de agua originado
en la combustión está completamente condensado.
Poder Calorífico Inferior (PCI): Es la cantidad total de calor desprendido en
la combustión completa de combustible, cuando toda el agua en los productos
permanece como vapor.
La diferencia entre el PCS y el PCI está dado por:
PCS - PCI = Calor latente del vapor de agua. [1]
de combustión a la temperatura de
la mezcla original de aire-combustible.
Cada combustible tiene un Poder Calorífico característico, tal como se
muestra en el cuadro siguiente.
Cuadro N° 1. Poder Calorífico de diferentes combustibles fósiles y su costo
Combustible Densidad
[kg/lt]
Precio
[US/Ton]
PCI
[Kcal/kg]
PCS
[Kcal/kg]
Precio
[US$/MMBTU]
PCS
Precio
[US$/MMKcal]
PCS
Gas Licuado 0,56 784,97 10 734 11 660 16,98 67,34
Diésel 0,85 666,89 10 165 10 900 15,49 61,34
PC N° 5 0,95 410,95 9 762 10 340 10,06 39,90
PC N° 6 0,98 330,89 9 625 10 150 8,22 32,60
Carbón 120,00 6 250 6 500 4,66 18,46
Gas Natural 0,62 8 100 9 000 6,00 23,80
Electricidad
Industrial
AT4.3
Monómico
0,071
[US$/kW
h]
0,071
[US$/kW
h]
20,80 82,60
Fuente: Termoeléctrica que usa Gas Natural de Atacama
Los valores del Poder Calorífico pueden cambiar dependiendo de diversos
factores, como el lugar de origen del combustible, la materia prima usada para
obtenerlas, el proceso utilizado para su obtención, entre otros.
Debido a esto, son muy importantes las mediciones del Poder Calorífico de
los combustibles, para lo cual puede usarse un equipo conocido como Bomba
Calorimétrica.
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BOMBA CALORIMÉTRICA DE EMERSON
La Bomba Calorimétrica se usa para determinar el Poder Calorífico de un
combustible cuando se quema a volumen constante.
Una determinada cantidad de combustible (mc), cuyo Poder Calorífico (PC)
se desea determinar, se coloca en el crisol para combustible (Si el combustible
es sólido, deberá colocarse en forma de pastilla) dentro de la bomba.
Adicionalmente se agrega el oxígeno necesario para la combustión y la
mezcla aire-combustible se lleva hasta su temperatura de ignición.
La combustión del combustible nos da un calor Q.
Q = mc x PC = c x c x PC [2]
Donde:
Q: es el calor cedido por 1 [cm 3
] de combustible.
c. Es el volumen de combustible, [1 cm 3
]
c. Es la densidad del combustible, a condiciones de 101,325 kPa y
25°C de temperatura.
PC: es el Poder Calorífico del combustible obtenido a volumen
constante, a condiciones de 101,325 kPa y 25°C de
temperatura.
Cabe mencionar que éste valor del Poder Calorífico a volumen constante
difiere muy poco del Poder Calorífico a presión constante (1%), por lo que
para cálculos de ingeniería pueden tomarse indistintamente.
El calor desarrollado por la combustión, ecuación [2], es transmitida hacia un
elemento fluido y hacia la bomba calorimétrica.
Q = mc x PC = Qagua x Qbomba [3]
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La bomba (donde se realiza la combustión) está sumergida en una chaqueta
de agua que contiene una cantidad conocida de agua que absorberá el calor
liberado por el combustible. Todo esto se realiza dentro de una camisa
adiabática para evitar fuga de calor que afecte el proceso.
Figura N° 2. Bomba Calorimétrica
Fuente:
Midiendo las diferencias de temperatura del agua antes y después de la
combustión, es posible determinar el calor cedido por el combustible. Sin
embargo, el calor que absorbe el agua no es Poder Calorífico del combustible,
debido a diversos factores, entre los cuales pueden nombrarse:
- absorción de calor por la propia bomba,
- liberación de calor del alambre que provoca el encendido del
combustible,
- liberación de calor por la formación de ácido nítrico y sulfúrico entre
otros.
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Tomando en cuenta todos los factores nombrados y aplicando la ecuación de
la energía al proceso de combustión a volumen constante, se obtiene la
siguiente expresión para el cálculo del calor que recibe la bomba calorimétrica:
𝑄 = 𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 ∆𝑇𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝑚 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝐶𝑝 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 ∆𝑇𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎
− 𝐶𝑝 𝑓𝑖𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 ∆𝑇𝑓𝑖𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑄 = [ 𝑚 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝐶𝑝 𝑎𝑔𝑢𝑎 + 𝑚 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 𝐶𝑝 𝑏𝑜𝑚𝑏𝑎 ] ∆𝑇
− 𝑚 𝑓𝑖𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑃𝐶𝑓𝑖𝑙𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
𝑄 = 𝐾 ∆𝑇 − 𝑒2 − 𝑒1 [4]
donde:
K es la capacidad térmica de absorción de la bomba calorimétrica
proporcionada por el fabricante, 2440 [Cal / °C].
T está dado por:
T = (Tmáx - T e) + P2 - P1, [°C] [5]
P2 y P1 son factores de corrección.
P2 = 0,5 R2 x t2, P1 = 0,5 R1 x t1; [6]
R1: Régimen de aumento de la temperatura por minuto antes del encendido,
[ °C/min ].
Hay que registrar la temperatura del agua cada minuto durante cinco
(05) minutos antes del encendido. Cada 30 segundos a partir del momento de
encendido hasta alcanzar la temperatura máxima, y se continua midiendo
cada minuto durante cinco (05) minutos.
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R2: Régimen de disminución de temperatura después de la temperatura
máxima, [°C/min ].
t1: Tiempo transcurrido desde el momento del encendido hasta alcanzar la
temperatura ambiente, [ min ].
t2: Tiempo transcurrido desde la temperatura máxima a temperatura
ambiente, [min]. .
Igualando las ecuaciones [3] y [6], se obtiene la expresión:
𝑃𝐶 =
𝐾 . ∆𝑇
𝑚 𝑐
=
𝐾 . ∆𝑇
∀ 𝑐. 𝜌 𝑐
[cal/g] [7]
Donde:
PC: Poder Calorífico del combustible, en calorías por gramo, [cal/g].
T: Obtenida de la ecuación [5], [°C].
mc: es la masa del combustible, [g]
c: Volumen del combustible líquido, [1 cm 3
]
c: Densidad del combustible líquido, [g/ cm 3
]
A condiciones de 101,325 [kPa] y 25 [°C].
Éste ¨Poder Calorífico es necesario corregirlo por el calor liberado por el
fusible (aproximadamente 1600 [cal/g]); por la formación de ácido nítrico (230
[cal/g] de ácido nítrico) en trabajos de menor precisión considerar 10 [cal]; por
formación de ácido sulfúrico (1300 [cal/g] de azufre presente en la muestra).
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4. PROCEDIMIENTO
- Una cantidad de combustible 1 [cm 3
] se coloca en el crisol junto con
un alambre que sirve de elemento incandescente; se satura el espacio
con unas cuantas gotas para la condensación completa del vapor y se
arma la bomba.
- Suministrar oxígeno; sumergir la bomba en agua e instalar el
termómetro.
- El combustible se enciende al hacer circular corriente eléctrica por el
alambre y por estar la bomba llena de oxígeno 300 [psig].
- El calor desprendido del sistema a volumen constante es enfriado a su
temperatura original y usando factores de corrección para condiciones
de temperatura de 25 [°C] es posible obtener el Poder Calorífico:
𝑃𝐶 =
𝐾 . ∆𝑇
∀ 𝑐. 𝜌 𝑐
[cal/g]
Recomendaciones:
- Contenido de agua de 1900 gramos, a temperatura menor de 3°F que
la temperatura externa.
- La bobina o elemento incandescente debe tocar el combustible pero no
el crisol.
- Accionar el agitador (3 a 4 minutos), para uniformizar.
- El termómetro debe de estar sumergido 75 [mm] en el agua.
- Realizar el ensayo con el objetivo siguiente:
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5. ENSAYO:
Fecha:
Integrantes:
Condiciones ambientales:
Presión: [kPa]
Temperatura [°C] Bulbo seco
[°C] Bulbo húmedo
Humedad: [%]
A volumen constante
Figura N° 3. Bomba Calorimétrica de Emerson
Fuente:
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25 [°C] 25 [°C]
Tabla N°1. Datos
TIEMPO T agua TIEMPO T agua TIEMPO T agua
[min] [°C] [min] [°C] [min] [°C]
0 25 Tamb 0 Tenc ?? Tmax
? Tenc ?? Tmax ??? 25 Tamb
Fuente: Elaboración propia
t1 = ( ??? - ?) [min] = ; t2 = ( ??? - ??) [min] =
𝑅1 =
𝑇𝑒𝑛𝑐 − 𝑇𝑎𝑚𝑏
? −0
= [°
𝐶
𝑚𝑖𝑛
]
𝑅2 =
𝑇𝑚𝑎𝑥 − 𝑇𝑎𝑚𝑏
? ? ? − ? ?
= [°
𝐶
𝑚𝑖𝑛
]
T amb Tencendido Tmáxima Tamb
R1 = [°C/min] R2 = [°C/min]
t1 = [min]
t2 = [min]
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P2 = 0,5 R2 x t2 = [°C]
P1 = 0,5 R1 x t1 = [°C]
T = (Tmáx - T e) + P2 - P1) = [°C]
También:
𝑄 = ∀ 𝑐. 𝜌𝑐 𝑃𝐶 = [Cal/g]
Luego:
𝐾 =
𝑄
∆𝑇
= [Cal/°C]
Si se ensaya con un combustible líquido, su Poder Calorífico está dado
por:
𝑃𝐶 =
𝐾 . ∆𝑇
∀ 𝑐. 𝜌 𝑐
= [Cal/g]
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A presión constante
Figura N° 5. Bomba Calorimétrica
Fuente:
1. Procedimiento
a) Preparación del Equipo.
Se toman de 1 a 1,5 gramos de combustible pulverizado y se fabrica una
pastilla. Si el combustible es líquido, se toman con una pipeta de 1 a 1,5
mililitros. El combustible debe colocarse en el crisol de la bomba. El
recipiente del agua se llena con 2000 a 2200 gramos de agua. Se corta un
trozo de alambre de ignición de 15 cm y se ata firmemente a los electrodos
de la bomba calorimétrica, asegurándose que el alambre toque el
combustible. Se cierra la bomba, se presuriza con oxígeno a 20 atmósferas
y se introduce en el recipiente del agua. Se introduce el recipiente dentro
de la camisa adiabática y se coloca la tapa correspondiente.
Bombona de
Oxígeno
Recipiente para el
Agua
Camisa
Adiabática
Bomba
Calorimétrica
Termómetro
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b) Prueba Preliminar.
Es conveniente familiarizarse con el termómetro del equipo, así como
determinar su apreciación. Una vez que se haya alcanzado el equilibrio
térmico entre los distintos componentes del sistema, se enciende el
agitador, tomando nota cada minuto de la temperatura del agua en la
bomba. Esto se hace hasta que la temperatura se estabilice o hasta que
los cambios de temperatura se hagan constantes.
c) Prueba Principal.
Una vez logrado lo anterior, se conectan eléctricamente los electrodos de
la bomba, presionando el interruptor correspondiente. En este momento el
hilo de hierro se torna incandescente y se funde, formándose óxido de
hierro y quemando completamente el combustible. En este momento la
temperatura comienza a subir rápidamente. Las lecturas de temperatura
siguen tomándose minuto a minuto hasta que se estabilice.
d) Prueba Complementaria.
Si luego de dar por culminada la prueba principal se aprecian algunos
nuevos cambios de temperatura, estos se anotan minuto a minuto hasta
verificar la estabilidad o hasta que los cambios sean constantes. Si esto no
ocurre, la prueba finaliza cuando el número de lecturas sea igual al de la
prueba preliminar.
2. Procesamiento de los Datos
Con los datos tomados durante la práctica el estudiante deberá
1. Determinar la constante de la bomba calorimétrica para el momento del
ensayo, usando las ecuaciones correspondientes y los datos obtenidos para
la experiencia realizada con el combustible de poder calorífico conocido.
2. Determinar el poder calorífico de un combustible usando la constante
calculada y los datos obtenidos para el ensayo con un combustible de poder
calorífico desconocido.
3. Obtener información de la literatura sobre el valor del poder calorífico del
combustible objeto del ensayo y compararlo con el calculado
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experimentalmente.Realizar el análisis de los resultados anteriores y
establecer las conclusiones correspondientes.
TablaN° 2. Datos
PRUEBA
PRELIMINAR
PRUEBA
PRINCIPAL
PRUEBA COM-
PLEMENTARIA
PRUEBA
PRELIMINAR
PRUEBA
PRINCIPAL
PRUEBA COM-
PLEMENTARIA
N° T ΔT T ΔT T T ΔT T T ΔT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Fuente:
2
PP
PmCdondeCTT CP
CPRINCIPALPRUEBA
ΔΔ
inarlimprepruebadelécturasNúmero
inarlimprepruebadesdiferenciadeSuma
PP
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ariacomplementpruebadelécturasNúmero
ariacomplementpruebadesdiferenciadeSuma
PC
m = Número de lecturas de la prueba principal
Es importante señalar que el último valor anotado para la prueba preliminar
será el primero para la prueba principal y el último anotado para la principal
será el primero para la complementaria. Las diferencias se calculan a través
de la ecuación n-(n+1) y se colocan con el signo que resulten, no en valor
absoluto.
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6. RESULTADOS
Comparar los resultados obtenidos con los datos provenientes de la
literatura que están indicados en los Anexos.
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7. CONCLUSIONES
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8. RECOMENDACIONES
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9. CUESTIONARIO
1. ¿Qué es el Poder Calorífico Alto (Superior)?.
2. ¿Qué es el Poder Calorífico Bajo (Inferior)?.
3. En la Bomba Calorimétrica de Emerson: se obtiene el ¿Poder Calorífico
Superior o el Poder Calorífico Inferior? Porqué?.
4. ¿Qué factores deben ser considerados en cuanto a la transferencia de
calor a fin de acercarnos hacia la determinación del valor calorífico?.
5. ¿Qué tipo de proceso se lleva a cabo en la Bomba Calorimétrica de
Emerson?.
6. Los valores caloríficos se dan por lo general a 25 [°C]. ¿Cuál es la
magnitud del efecto de la temperatura sobre los valores caloríficos (a)
cuando los valores caloríficos se dan por u idad de masa; 8b) cuando
se dan por unidad de volumen?.
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10. MATERIAL DE REFERENCIA
1. Seymour Doolitle. El Laboratorio del Ingeniero Mecánico. Editorial
Hispano Americana S.A. Buenos Aires 1971
2. Manual del Laboratorio de Ingeniería Mecánica.
3. Manual del Ingeniero Mecánico
4. ASME Power Test Codes, Supplements on Instruments and Apparatus:
part 9, Heat of Combustion, 1943
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11. ANEXOS
ANEXO 1: OBJETIVO DEL ENSAYO
ANEXO 2:
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ANEXO 1: OBJETIVOS DEL ENSAYO
OBJETIVO GENERAL OBJETIVO ESPECÍFICO
Calcular el calor Q desarrollado por la
Obtener la capacidad térmica de absorción combustión de 1 [cm 3] del combustible
de la bomba calorímétrica, constante K, Diesel N°2 cuyo Poder Calorífico es de
a partir de un combustible líquido o sólido 10 00 [Kcal/m 3]
cuyo poder calorífico es conocido Calcular el parámetro T indicado en la
ecuaión [3], a partir de los datos provenientes
del ensayo en la Bomba Calorimétrica.
Lograr conocimientos y pericia,
Determinar el Poder Calorífico de un sólido en el manejo de equipo e instrumentos
o un líquido, mediante un proceso de la Bomba Calorímétrica.
experimental, usando para ello la Bomba Reconocer qué tipo de Poder Calorífico se
Calorimétrica del Laboratorio N°5 UNI-FIM obtienen del proceso de la combustión
en la Bomba Calorimétrica.
𝑄 = 𝑚 𝑐 𝑃𝐶 = ∀ 𝑐. 𝜌𝑐 . 𝑃𝐶
𝐾 =
𝑄
𝑇
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Marcoteórico:
Para determinar el calor de combustión, se puede utilizar la bomba calorimétrica o
calorímetro deParr. Este consiste en un recipiente donde está contenida la muestra y
donde se realiza la combustión (bomba). La bomba está sumergida en una cantidad
conocidadeagua.Elsistemacompletoestácontenidoenunachaquetaadiabáticaque
impide que salga calor del sistema. Midiendo las diferencias de temperatura del agua
antes y después de la combustión, es posible determinar el calor cedido por el
combustible..
Setiene queelsistema es adiabático, osea