UNIVERSI UNIVERSIDAD DAD NACIONAL NA CIONAL DEL CENTRO DEL DEL PERÚ FACULTAD FACULT AD DE INGENIERÍA INGENIERÍA QUÍMICA QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADÉMICO AC ADÉMICO DE INGENIER INGENIERÍA ÍA ESCUELA ESCUELA ACADÉMI ACA DÉMICO CO PROFESIO PROFESIONAL NAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA QUÍMICA APLICA APL ICACIÓN CIÓN DE LA 1ra y 2 da LEY DE LA TERMODINÁMICA TERMODINÁMICA EN UNA COCINA MEJORADA EN SAN AGUSTIN DE CAJ CA J AS CÁTEDRA: TERMODINAMICA DE LOS PROCESOS QUÍMICOS I CATEDRATICO: ING. WALTER S. FUENTES LÓPEZ
ALUMNOS:
Cárdenas Cárdenas Arzapalo, Arzapalo , Jesus (I.Q) (I.Q)
jesus201 jesus 2014sale@ 4sale@gmai gmail.co l.com m
Centeno Centeno Butill But illos, os, Hector Hector (I.Q) (I.Q)
fellercenteno@gmail
[email protected] .com
Chaupi Chaupiss Enriquez, Elvis (I.Q (I.Q))
chaupis26 chaupis
[email protected] [email protected]
Hurtado Hurt ado Tocas, Yonel (I.Q) (I.Q)
yonel.11 yon el.111.yht@gmail 1.yht@gmail .com
Torres Rodriguez, Rodrig uez, Wilfredo (I.Q) (I.Q) rodr igu ezwil ezwil fredo1@hot
[email protected] mail.com SEMESTRE:
V
FECHA:02-01-2019
HUANCAYO – PERÚ
I
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Aplicar la primera primera y segunda ley de de la termodinámica en la cocina mejorada en SAN AGUSTIN DE CAJAS
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar de las características características de la cocina mejorada en San Agustín de Cajas.
Determinar el el balance dde e materia en la cocina mejorada. mejorada.
Determinar el el balance dde e energía de de la cocina mejorada.
Determinar la eficiencia de la cocina mejorada mejorada y horno. horno.
II
CONTEXTO CONTEXTO DEL DEL PROBLEMA PROBL EMA DESCRIPCIÓ DESCRIPCIÓN N DE LA PROBLEMA PROBL EMA Debido al uso de cocina a leña en la casa de la Señora domiciliada en San Agustín de cajas distrito de Huancayo, ubicado a media cuadra del camino de los incas. Este lugar se analizó las desventajas de la cocina a leña que conserva esta familia, ya que hay mala ventilación inferior evitando que circule el aire y provocando que se reduzca el calor. Soporte precario de la olla, además, no existe sistema de aislamiento entre el fogón y la persona, este problema mencionado se recopilo al hacer la visita a la casa y también se evaluó la realización de una cocina mejorada a beneficio de esta familia. Durante la visita se observó: FOTOGRAFIA 1: La cocina tradicional de la señora esta en muy malas condiciones donde se observa la plancha metalica que se encuentra totalmente gastada. Y no cuenta con una chimenea por consecuencia la pared se torno de un color negro. FOTOGRAFIA 1
Fuente: (propia)
III
FOTOGRAFIA 2: En la fotografía 2 se observa que la estructura de la cocina está totalmente deteriorada.
FOTOGRAFIA 2
Fuente: (propia)
IV
FUNDAMENTO TEORICO COCINA MEJORADA Es el lugar o espacio dónde se preparan las comidas. La cocina puede contar con hornillos, fuegos, parrilla y otros componentes, que se utilizarán de acuerdo a la comida que se desea preparar Son máquinas térmicas que generan calor mediante la combustión de sólidos. El calor liberado durante el proceso es utilizado para diferentes actividades como la cocción de alimentos, calefacción y calentamiento de agua. La ventaja de estas cocinas es su bajo costo y su fácil operación. Figura 1.1. Partes de una cocina mejorada
Fuente: (CAÑAS, OCTUBRE 2008) Para el diseño de las cocinas mejoradas se deben considerar varios factores, tanto técnicos como sociales. se debe considerar: materiales, transferencia de calor, aislación térmica, análisis del flujo de aire, tipo de combustible. De acuerdo al fenómeno de combustión utilizado en el proceso para la generación de calor, se han dividido a las cocinas. en dos grandes grupos los cuales son cocinas de combustión directa y cocinas de gasificación. (CAÑAS, OCTUBRE 2008) Figura 1.2. a) Cocinas de combustión directa, b) Cocina de gasificación
5
Fuente: (CAÑAS, OCTUBRE 2008) Esta clasificación permite analizar a todos los modelos encontrados a nivel mundial y ubicarlos dentro de estos dos grupos, lo cual servirá para comparar que tecnologías presentan una mejor eficiencia, menores emisiones de gases contaminantes y compararlas con el costo a nivel mundial.
BENEFICIOS DE UNA COCINA MEJORADA Las ventajas de la cocina mejorada se pueden apreciar desde los siguientes puntos de vista.
Reduce los problemas respiratorios y oculares.
Menor riesgo de sufrir quemaduras.
Evita la contaminación al interior de la vivienda con humos tóxicos, ceniza y hollín.
Reduce los problemas de salud en las mujeres, como dolores a la vejiga y a la columna.
Mejora la economía familiar por el uso racional de leña.
Ahorra en un 35% el material que se usa como combustible.
Reduce el tiempo de cocción de los alimentos.
Es barata, porque se puede construir con materiales de la zona.
Mayor comodidad al momento de preparar los alimentos.
Conserva mayor tiempo sus utensilios.
Evita la mala posición y permite cocinar con facilidad e higiene.
Eleva la autoestima de los miembros de la familia.
Menor emisión de gases tóxicos al medio ambiente.
Menor consumo de leña por lo tanto menor tala de árboles. 6
Promueve un ambiente limpio y sano.
CARACTERÍSTICAS DE USO DE UNA COCINA MEJORADA Evita
la contaminación en el interior de la vivienda con humo tóxico,
ceniza, hollín y sus funestas consecuencias en cuanto a salubridad.
Mayor aprovechamiento del calor (eficiente transferencia de calor, menor consumo de combustible).
Mayor seguridad; evitando posibles quemaduras.
Higiene en general.
Disminución de la presión sobre los bosques.
7
8
COMPOSICIÓN DE LA LEÑA DE EUCALIPTO Para determinar la composición de la leña, es necesario realizar dos exámenes: el análisis elemental y el análisis inmediato. a. Análisis elemental: Es un análisis químico, la leña es un combustible sólido cuya composición varía considerablemente según su tipo. Para los cálculos de combustión la composición de la leña se expresa habitualmente como análisis elemental. Este tipo de análisis elemental da la composición en base másica en términos de las cantidades relativas de los elementos químicos (carbono, azufre, hidrógeno, nitrógeno y azufre) y ceniza. b. Análisis inmediato: Es un análisis físico, determina la cantidad de carbono fijo, material volátil, ceniza, humedad. (PERU, 2009) Ilustración 1.6 Composición de la leña
Fuente: (PERU, 2009)
9
Ilustración 1.7 poder calorífico del eucalipto
Fuente: (PERU, 2009)
10
PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA La primera ley expresa la forma en que se altera la energía del sistema debido a la transferencia de energía por las fronteras. El primer principio de la termodinámica se apoya sobre hechos experimentales, de que la energía no puede ser creada ni destruida solo se transforma (balance de energía), así como que el trabajo y el calor son dos formas diferentes de energía independientes del flujo de masa. (SMITH, NESS, & H. , 2007)
() = () + ()
(10)
La variación de la energía interna de un sistema es la suma del calor absorbido por el sistema, de su entorno, y el trabajo realizado sobre él, por fuerzas exteriores. También puede definirse como: “aunque la energía adopta numerosas formas, la cantidad total de energía es constante y cuando ésta desaparece en una forma, aparece simultáneamente en otra”. La energía del sistema comprende la variación de la energía interna, por efectos moleculares internos, la variación de la energía cinética por efecto de los cambios de velocidad en el sistema y la variación de la energía potencial por cambio< de posición o efecto de la gravedad. La energía de los alrededores indicaría la transferencia de energía como calor o trabajo desde o hacia los alrededores (SMITH, NESS, & H. , 2007)
(1 2) = ∆ + (1 2)
(11)
Los signos en el segundo miembro de la ecuación se eligen por convención: Se elige así cuando: -W, si el sistema realiza trabajo hacia los alrededores +W, si los alrededores realizan trabajo sobre el sistema 11
+Q, cuando se transfiere calor desde el exterior hacia el sistema -Q, cuando la transferencia de calor va del sistema hacia los alrededores.
SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA La segunda ley de la termodinámica expresa, que "La cantidad de entropía de cualquier sistema aislado termodinámicamente tiende a incrementarse con el tiempo, hasta alcanzar un valor máximo". Más sencillamente, cuando una parte de un sistema cerrado interacciona con otra parte, la energía tiende a dividirse por igual, hasta que el sistema alcanza un equilibrio térmico. (SMITH, NESS, & H. , 2007) Esta ley indica las limitaciones existentes en las transformaciones energéticas en un sistema aislado, es decir, que no intercambia materia ni energía con su entorno, la entropía (expresión relacionada con el número de posibles estados de un sistema, entendida erróneamente como el desorden en un sistema) siempre habrá aumentado (nunca disminuido, como mucho se mantiene) desde que ésta se mide por primera vez hasta otra segunda vez en un momento distinto.
12
MATERIALES, ACCESORIOS Y HERRAMIENTAS Materiales
Tierra arcillosa
Arena fina
Estiércol molido
Agua
Accesorios
Plancha de hierro fundido
Tubo galvanizado (base e intermedio y sombrero chino)
Fierros de ½” de 40 cm
Herramientas
Pala
Pico
Carretilla
Flexómetro (metro) Nivel de albañil Cordel Manguera Balde para agua Saquillos Regla Plástico oscuro
I.
RESULTADOS Y DISCUCION
II.
Cantidad de combustible (leña de eucalipto): 1kg
Cantidad de leña consumida(ceniza):40 gr
Masa del agua en las ollas: 5 L Tabla 5.1. Datos registrados para los primeros 65 minutos iniciada la combustión
Fuente: Elaboración propia
III.
CÁLCULOS
Se realiza el balance para la leña inicial considerando la humedad. Balance de masa: Masa total (kg):
1.0
Humedad (kg):
0.3
leña seca (kg): Cenizas (g):
0.70 40
Composición de la madera: Elemento Carbono Oxígeno Hidrógeno Nitrógeno
Porcentaje % 38.98 53.41 6.98 0.09
Peso por Elemento (kg) 0.27286 0.37387 0.04886 0.00063
Peso molecular (g/mol) 12 16 1.008 14
Sub Índice Molecular A= 22.74 B= 23.37 C= 48.47 D= 0.05
El balance de masa respecto a la reacción de combustión:
Se reemplaza los coeficientes A, B, C y D hallados respecto a la composición de la madera de eucalipto obtenida por referencia bibliográfica: Se determinan los coeficientes estequiométricos por medio de un balance algebraico:
Molécula
Coeficiente Estequimétrico
Peso molecular
Peso (kg)
32
0.2397
() C()
a= b=
3.33
12
0.0400
CO()
c=
7.04
28
0.1971
C ()
d=
6.06
44
0.2666
()
e=
0.023
28
0.0006
()
f=
24.24
18
0.4363
7.49
Reemplazando los coeficientes estequiométricos y proponiendo los fenómenos físicos y químicos como los cambios de fase y las reacciones químicas: Tipo
Reacciones Químicas -Proceso Físicos
Masa (kg)
∆
∆
R. Combustión
2()22()
0.7000
17066.23
11946.36
Producto de RQ
()()
0.4363
2444.44
1066.56
Humedad
() ()
0.3000
2444.44
733.33
0.2666
30280.32
8073.94
Descomposición
6.06
21820.20
Masa (kg)
∆
∆
0.7000
17066.23
11946.36
0.4363
2444.44
1066.56
0.3000
2444.44
733.33
0.2666
30280.32
8073.94 21820.20
Tabla 6.1. Temperaturas representativas estimadas Temperaturas (ºC)
0 min
65 min
Variación
Ta
17.68
19.60
1.92
Promedio 18.64
T1
51.09
103.57
52.48
77.33
T2
43.08
101.58
58.49
72.33
Tch
18.70
125.90
107.20
72.30
Th
54.35
84.92
30.56
69.64
Tha
44.15
78.49
34.33
61.32
Tp
75.47
125.30
49.83
100.39
Fuente: Elaboración propia Evaluando los valores de Cp de los gases de chimenea:
∆= ∫ = [ −](2815) 9 Tabla 6.2. Temperaturas representativas estimadas GASES
T0
T
A
B
CO2
298.15
399.05
5.457
0.001045
CO
298.15
399.05
3.376
0.000557
H2O
298.15
399.05
3.47
0.00145
O2
298.15
399.05
3.639
0.000506
N2
298.15
399.05
3.28
0.000593
Finalmente
∆
C
D
0
-115700
0
-3100
3.5441
0.0669
0
12100
4. 0772
82. 8541
0
-22700
3. 6246
22. 7632
0
4000
3. 5203
0.0664
Total:
130.39
4 .8488
24. 6378
Cálculo de los valores de calor disipados: Material Barro Ladrillo Aluminio Acero
Calor disipado por la plancha:
Conductividad (W/m -°C) 0.81 0.52 238 60.5
=∙ ∙ ∆ = 5 × = 1 =5∗1∗ 18 ∗1− = 111
Calor disipado al ambiente por la plancha
= ∗ ∗() =51 ∙ ° =1 =51∗1∗(118) = 88 kW
Calor disipado al ambiente por la plancha por radiación
= ∗ σ ∗ ∗ ( ) =52∗51− ∗1∗((1215) (18215)) = 1251 Calor total disipada por la cocina Calor de RQ
9872.23
Ch im en ea
3891. 49
Conducción Co nv ecci ón Rad iaci ón Total
131.13 48. 78 612. 51 14556.14
PODER CALORÍFICO DE LA LEÑA (CON UN 30 % DE HUMEDAD)
Entonces: 30% de 1 kg de leña = 0.70 kg de leña seca El poder calorífico de la leña seca de eucalipto es de : En 0.70 kg de leña seca tiene un valor calorífico de:
18000 kJ/kg 11700 kJ/kg
Para hallar el valor energético se utiliza la siguiente ecuación: VE
: Valor energético de 1 Kg de leña con un 30% de humedad.
Es
: Energía con un 70% de leña seca de 1 kg.
Ee
: Energía de evaporación 0.3 kg de agua.
Energía de evaporación:
6300 kJ/kg
VE= 5400 kJ/kg Por lo tanto, el poder calorífico de la leña utilizada en el proceso de evaluación es de 7200 kJ/kg
VE=Es-Ee
BALANCE ENERGÉTICO Para encontrar la distribución de energía calorífica sobre las ollas Qu = Qab. - (Qp1 + Qp2) Donde: Qu : energía útil extraída por el agua. Qab. : Calor absorbido por la olla. Qp1 : energía de pérdidas por aumento de energía almacenada en la misma cocina. Qp2 : energía de pérdidas por la chimenea. Como la energía útil en una cocina es la energía calorífica útil “Qu” que gana el agua
Eu = Qu Qu = ma Cesp (Tf-Ti) Donde: : energía clarifica del agua en (kcal) ma : masa del agua en Kg = 5 kg Cesp : calor específico del agua = 1 kcal/kg°C Tf : temperatura final del agua cuando alcanza su máxima temperatura = °C Ti : temperatura inicial cuando se encuentra bajo mínimas condiciones de temperatura = 14.1 Qu
1 kcal =
4186 J
Calculo en la olla 1: Qu= 5 kg * 1kcal/kg°C(99.5-13.8)
98.9
Qu= 424 Qu=1774.864
kcal KJ
Calculo en la olla 2: Tf= 96.1 °C Ti= 14.3 °C Qu= 5 kg * 1kcal/kg°C(98-14.3) Qu= 409 kcal Qu= 1712.074 Energía causada por la combustión de la leña se conoce como la energía incidente: Ei = mL.Pc Donde: Ei : es la energía incidente (kJ) mL : masa de la leña en (kg) Pc : Poder calorífico de la leña (kJ/kg)
1
Ei = 1kg* 7200 KJ/kg Ei = 7200 KJ Eficiencia en el proceso de cocción de alimentos
Ei
Donde: Eu : es la energía útil que extrae el agua (kJ/kg) : es la energía incidente causada por la combustión de la leña (kJ/kg)
7200
Eficiencia para la hornilla 1: n(T1)=
24.65088889%
Eficiencia para la hornilla 2: n(T2)=
23.77880556%
EFICIENCIA EN EL HORNO. Para encontrar la distribución de energía calorífica en el horno Eu = Qu Qu = ma Cesp (Tf-Ti)
· ·
Donde: · Qu : energía clarifica del agua en (kcal) · ma : masa del agua en Kg 5 L · Cesp : calor específico del agua (1 kcal/kg°C) 1 Tf : temperatura final del agua cuando alcanza su máxima temperatura °C Ti : temperatura inicial cuando se encuentra bajo mínimas condiciones de temperatura 16.5 °C 1 kcal = 4186J 1kWh = 860 kcal Qu = 5L (1 kcal/kg°C) (89.7-14.7) °C Qu = 165 kcal Qu= 690.69
49.5
n(Th)=
9.592916667%
EFICIENCIA DE LA COCINA MEJORADA. Eficiencia de la cociana = eficiencia de la olla 1 + eficiencia de la olla 2 + eficiencia del horno
n=
58.02261111%
IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Al finalizar el trabajo de campo aplicando la primera y la segunda ley de la termodinámica se logró determinar el balance de materia de la leña que es la siguiente: ∆ RQ 1 RQ 2 HUMEDAD DESCOMP.
9 19 2 ()22 () () () () () 2 6.06 2
masa= masa=
0.3 0.2666
kg kg
17066.23 2442.27 2442.27 30280.32
kJ/kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg Total
∆ 11946.361 1065.61 732.68 8073.94 21818.6 0
seguido se determinó el balance de energía de la
cocina en diferentes puntos: Calor disipado por la plancha: Calor disipado al ambiente por la plancha Calor disipado al ambiente por la plancha por radiación
= 111 =88 kJ = 1251
Luego se determinó las eficiencias tanto para las hornillas y el horno:
La poca eficiencia de las hornillas y el horno se debe a las pérdidas no tomadas en cuenta.
= 25 % Eficiencia para la hornilla 2: =2% Eficiencia del horno: = 5 % Eficiencia para la hornilla 1:
V.
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES ESPECÍFICAS
Las características de la cocina mejorada en san Agustín de cajas, cuenta con: o
Dos hornillas adaptables (plancha metálica).
o
Un horno (30X20).
o
Ceniceros para la cámara de combustión.
o
Chimenea para el flujo hacia el exterior de los gases tóxicos.
Se llegó a calcular el balance de masa para la leña por medio de una reacción de combustión ajustada y el balance de masa en el horno es despreciable porque no es perceptible el cambio en la masa del agua en las ollas y el horno.
Se determinó el balance de energía obteniendo los calores disipados tanto por la plancha que es
111 y sus mecanismos
de transferencia y de los gases que salen por la chimenea dando los siguientes resultados satisfactorios (las medidas en kJ): calor RQ-9872.23, Chimenea-3591.49, conducción-131.13, convección 48.78, radiación-612.51, TOTAL-14556.14.
Se determinó la eficiencia de la cocina en la olla 1 es de 24.65% y en la olla 2 es 23.77% y del horno es de 9.59%y la eficiencia total es 58.02%.
CONCLUSIÓN GENERAL Se aplicó la primera y la segunda ley de la termodinámica al lograr conocer las características de una cocina mejorada en san agustin de cajas como el poco uso de combustibles, poca perdida de calor, determinando el balance de materia y energía para finalmente determinar la eficiencia de la cocina mejorada.
VI. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA ALAN, C. (1947). Fundamentos de transferecia de calor . Cuarta Edicion. CAÑAS, J. S. (OCTUBRE 2008). DESARROLLO DE UNA NUEVA COCINA MEJORADA PARA LEÑA BASADA EN EL PRINCIPIO DE GASIFICACIÓN DE FLUJO CRUZADO NATURAL. ANTIGUO CUSCATLÁN, EL SALVADOR, C.A. DOMINGO, A. M. (2011). APUNTES DE TRASMISION DE CALOR. MADRID . FAIRES, V. (1990). TERMODINAMICA. MEXICO: UTEHA. HENRIQUEZ, I. O. (2009). TRANFERECIAN DE CALOR. LIMA. HERNANDEZ, S., FERDANDEZ, C., & BAPTISTA, L. (2010). METODOLOGIA DE LA INVESTIGACION. MEXICO: MCGraw Hill. HOUGEN, WATSON, & RAGATZ. (1990). PRINCIPIOS DE LOS PROCESOS QUIMICOS TONO II. BARCELONA: UTEHA. Juan Pablo Kastillo, D. V. (2005). COCINAS MEJORADAS DE LEÑA. KERLINGER, F. (2010). INVESTIGACION DEL COMPORTAMIENTO. MEXICO: 2ed. MCGraw Hill. MAMANI, L. V. (2013). AHORRO POTENCIAL DE LEÑA Y DISMINUCIÓN DE LA. LIMA – PERÚ. MORAN, S. (2005). Fundamentos de la Termodinamica. españa: reverté. NAKAMURA. (1997). TERMODINAMICA BASICA PARA INGENIEROS. LIMA: WH editores. PERU, P. U. (2009). ESTUDIO DE COCINAS MEJORADAS EMPLEANDO LEÑA Y BOSTA COMO COMBUSTIBLE. PERÚ. RODRIGUEZ, & J.A. (2015). Introduccion a la Termodinamica. universidad Tecnologica Nacional. SMITH, J., NESS, V., & H. , A. (2007). Introduccion a la Ingenieria Quimica. mexico: McGraw Hill ,septima edicion. SMTH. (s.f.). INTRODUCCION A LA TERMODINAMICA. Mc Graw Hill. VASQUEZ, J. (1995). TERMODINAMICA. LIMA: CONCYTEC.
Y., C., & BOLES , M. (2015). Termodinamica. mexico: MCGraw Hill, septima edicion. ZEMANSKY, M., & DITTMAN, R. (1990). CALOR Y TERMODINAMICA. MEXICO: MCGraw Hill.
ANEXOS
FOTO N°1: observamos la situación inicial de la cocina en un estado deteriorado
FOTO N°2: Se realizó la respectiva limpieza de lugar para la construcción de la base inicial de la cocina mejorada
FOTO N°3: Preparación de la base
FOTO N°4: se procede a colocar la primera hilera de ladrillos de la estructura que concierne a la cocina mejorada
FOTO N°5: se usó fierros de ½ pulgada para la construcción del cenicero
FOTO N°6: Se mezcla la arcilla con barro y estiércol para las paredes de la cámara de combustión de la cocina mejorada
FOTO N°6: Se impregno las paredes de la cámara de combustión con la mezcla de arcilla barro y estiércol
FOTO N°7: Se colocó la plancha metálica adaptable
FOTO N°8: construcción del área para el horno
FOTO N°9 : Se colocó el horno
FOTO N°10: Se nivelo el horno de la cocina mejorada
FOTO N°11: Horno implementado
