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Calculadores energéticos y artículos sobre el uso de la energía, su eficiencia e impacto sobre el medio ambente. Aplicaciones prácticas Biblioteca - ISSN 2326-6880 |
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Cálculo de la capacidad calórica de los gases. Procedimiento matemático
A continuación el Formulario para registrar la información de entrada, que clasificamos de complementaria:
Para poder consultar el resto del contenido de la página, se exige previamente introducir los datos en el Formulario y enviarlos para su comprobación. Si la operación de testeo no da luz verde, no se puede continuar. Es una condición imprescindible. Agradeceremos nos haga llegar su opinión sobre el uso de este procesador y si le ha sido útil su contenido Objetivos.El análisis Orsat. NotasCálculo del calor específico de los gases y de una mezcla de gases Formulario registro de los datos Resultados del proceso de validación Panel de impresión de resultados ¿Que tratará el contenido de esta página? Cómo calcular la capacidad calorífica de los gases y de una mezcla de gases y cómo se relaciona esta propiedad (capacidad calórica, capacidad calorífica o calor específico) con la temperatura. En la herramienta de cálculo que aquí se presenta se han tomado en cuenta los componentes gaseosos de mayor presencia en la industria en general. Dentro de este amplio universo, están los humos o gases generados como productos de la combustión, gases combustibles, gases refrigerantes, gases contaminantes atmosféricos, inertes, aire, etc. La propiedad termodinámica capacidad calorífica de los gases es un dato necesario para realizar los cálculos de la eficiencia del proceso de la combustión, principalmente para calcular el contenido de calor que se expulsa a la atmosfera en los humos. Para la determinación de la capacidad calorífica se utilizan expresiones empíricas. En la Tabla que más abajo se presenta, se pueden comprobar estas relaciones. Han sido escritas aquí para cada uno de los gases que se incluyen este calculador. Estas ecuaciones reportan el calor específico con un error inferior al 5 % (en la mayoría de los gases inferior al 1 %) en el intervalo de temperaturas entre 273º y hasta 1500 ºK (1226.84 ºC). Este intervalo a su vez será el límite de empleo de este calculador. ¿Cómo se realizará este cálculo y el resultado sobre qué bases y unidades se reportará? Registrando en el Formulario de entrada el valor del intervalo de temperaturas al cual se encuentra el gas o la mezcla y seleccionando el gas o los diferentes gases que forman parte de la misma mediante el registro de la fracción volumétrica de cada uno. Para ello debe introducir en el Formulario el valor máximo de temperatura posible para el componente gaseoso o la mezcla y el valor mínimo del intervalo o temperatura ambiente. El procesador hallará el calor específico medio dentro de ese intervalo de temperaturas. Para calcular el calor específico medio de una mezcla de gases, hay que conocer las fracciones volumétricas de los componentes que están presentes en la mezcla. Cada componente tiene un calor específico diferente y este parámetro se comporta también diferente para cada valor de temperatura. El calor específico de la mezcla será representativo de todos los componentes que lo integran y se calculará como el valor medio ponderado de la integración de los calores específicos medios de cada componente en la mezcla. Para conocer las fracciones volumétricas se realizará un análisis de gases. El análisis de gases (análisis Orsat), se realiza con instrumentos o equipos de laboratorio. Existen procesadores electrónicos - digitales que reportan el porciento en volumen de los principales componentes. También, el Orsat como equipo portátil de laboratorio, es utilizado ampliamente. Existen equipos de laboratorio de mayor precisión, como son los cromatografos de gases. Generalmente se reporta el resultado como la fracción de cada componente en la mezcla, en base seca. La fracción volumétrica se expresa en tanto por ciento o en tanto por uno y es representativa a la fracción molar (moles de cada componente en moles totales de la muestra), o fracción en volumen, (volumen de cada componente entre el volumen total de la muestra). Conocida la fracción molar o volumétrica en la mezcla se registrarán sus valores en el Formulario de entrada del sistema. El procesador se encargará de multiplicar cada una de las fracciones volumétricas por la capacidad calórica respectiva y las integrará para hallar el calor específico promedio en el intervalo de temperatura que se haya definido. Cuando se quiere calcular el calor específico de un gas, se introducirá en el Formulario de entrada el valor fracción molar 100 % para el gas seleccionado que es equivalente al componente puro. También se registrará el intervalo e temperatura dentro del cual se requiere ese valor. El procesador mostrará el calor específico promedio (cpm) del gas dentro del intervalo de temperatura registrado. Si lo que se necesita es determinar el calor específico medio de una mezcla gaseosa, se introducirán las fracciones o concentraciones volumétricas de cada uno de los componentes presentes y el intervalo de temperatura en el que se requiere que el procesador muestre la capacidad calórica promedio de la mezcla. La suma de las fracciones volumétricas tiene que cumplir la condición de ser igual a 100 %, que es el total de la mezcla gaseosa. De no cumplirse esta condición absoluta, el procesador no admitirá realizar la operación de cálculo. El análisis Orsat. Notas. Para proceder a establecer la calidad de la combustión, es imprescindible medir cuatro características de los gases resultantes: a) Medida del CO2 b) Medida del CO c) Medida del H2 d) Medida de los inquemados sólidos El aparato Orsat es un set portátil compuesto por una probeta de medición y diferentes botellas que contienen soluciones química, componentes sólidos y un pequeño horno para la quema de los gases que no hayan combustionado. Haciendo pasar la muestra de humos por las diferentes botellas y secciones del equipo, se absorben y se van separando los diferentes componentes gaseosos que forman parte de la mezcla de humos. Así se atraparán el CO2, CO, SO2, O2. El N2 se calcula por diferencia. El resultado se expresa en fracción volumétrica. ¿Cómo se puede tomar una muestra de humos? Para hacer su análisis volumétrico de los humos hay que saber tomar una muestra representativa. Para eso se utilizan unos bulbos de cristal o botellas (borboteadores toma muestras) , que se llenan de agua, evitando que quede aire u otro gas indeseable dentro de ellas. Para estar seguro se pueden sumergir en un recipiente con agua, evitando el contacto con el aire atmosférico. Estas botellas disponen de una entrada y una salida por el otro extremo, ambas con sus respectivas válvulas de cierre. La válvula de entrada se conecta a una manguera de goma y esta a su vez a la toma de muestra del recipiente o conducto de tubería que contiene el gas a analizar. Se alimenta el gas a la botella de manera de que vaya desplazando el agua que contiene en su interior. En caso que el gas esté bajo presión negativa, como es el caso de los humos que escapan a la atmósfera en la zona inferior de la chimenea, se deja escapar lentamente el agua de la botella y eso produce un vacío o presión de succión. En este caso hay que asegurarse que el sistema es totalmente hermético, para evitar la entrada de aire atmosférico al succionar el gas en la zona a baja presión. Una entrada de aire indeseable falsearía las concentraciones de los gases presentes en la mezcla original. Cuando se termina de completar la muestra, se cierran las dos válvulas de bloqueo y se transporta al laboratorio para realizar el análisis de su composición química. En el equipo de laboratorio se determina la fracción de cada componente en el volumen total y se expresa el resultado en tanto por uno o tanto por 100. En la Tabla que sigue se resumen las expresiones de cálculo en función de las temperaturas absolutas registradas aquí para determinar la capacidad calórica de cada uno de los posibles componentes gaseosos que pueden estar presentes en la mezcla. El valor es reportado a 1 atm de presión, en cal/mol grado. El procesador convierte los valores de temperatura en ºF a valores absolutos en ºK. Las unidades de salida son Btu/pie3 ºF
Cálculo del calor específico de los gases y de una mezcla de gases.
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