UNIVERSIDAD NACIONALDEL CENTRO DEL PER

FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICADPARTAMENTO ACADEMICO DE QUIMICA, INGENIERIA Y TECNOLOGIATermodinmica de los procesos qumicos 1

APLICACIN DE LA 1 Y 2 LEY DE LA TERMODINMICA AL HORNO DE FUNDICION SAN CRISTOBAL

CATEDRTICO: Ing. Walter FuentesESTUDIANTES:NombreCod. De MatrculaCorreo Electrnico

MEJIA BERAN, Jos2011100128Fjmejiaberaun@rcoketmail.com

PACHECO MENDEZ, Lizzet2010200567kyimena93@hotmail.com

TOMAS CRISTOBAL, Helen2010200571Chelen_tuamiga@hotmail.com

VERTIS VEGA, Vivian2010102246Kvivian391@hotmail.com

YAULILAHUA CANCHAPOMA, Miguel2013101025Eangel_yc2006@hotmail.com

SEMESTRE:V

04 - MARZO 2015 Huancayo Per

INTRODUCINEl trabajo hace referencia a la aplicacin de la 1 y 2 Ley de la Termodinmica al horno de fundicin San Cristbal.La produccin de piezas fundidas es de gran importancia, por la demanda en diferentes empresa, su calidad depende mucho de la materia prima y la eficiencia del horno, para poder calcular esta calidad se procede a realizar clculos de balance de materia y energa y la seleccin adecuada de aluminio. As ayudarnos a comprender la 1 y 2 Ley de la Termodinmica para luego utilizar estos conocimientos en el desempeo de la Ingeniera Qumica. Es la primera vez que se realiza el balance de Materia y Energa al horno San Cristbal por lo tanto no tenemos antecedentes del trabajo.

RESUMENEn el siguiente trabajo se aplic la primera y segunda ley de la termodinmica al horno de fundicin San Cristbal, para esto se realiz con 3 visitas de recaudacin de informacin al lugar de produccin, para ello utilizamos el mtodo experimental; caracterizando el funcionamiento, estructura, variables y material de todo el proceso de elaboracin de piezas fundidas de aluminio; dependiendo de las condiciones ambientales.

Determinamos sus caractersticas, el horno posee una altura de 1.84 m, 1.15 m de largo y un ancho de 1.2m, el volumen es de 0.64 m3, la capacidad del horno es de 100Kg, el tiempo de coccin es de 0.75 h, la temperatura inicial es de 289.15 K (temperatura ambiente), la temperatura de coccin 2453.15 K, la temperatura de las paredes en la parte interna es de 2226.15 K y en la parte externa es de 1298.15 K. Seguidamente realizamos el balance de materia y energa, determinamos la eficiencia de 62.91 % y su entropa fue KJ/K.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL: Aplicar la primera y segunda ley de la termodinmica al horno de fundicin San Cristbal.

OBJETIVOS ESPECFICOS: Determinar las caractersticas del horno de fundicin San Cristbal. Realizar el balance de materia en el horno de fundicin. Realizar el balance de energa en el horno de fundicin. Determinar la entropa en el horno de fundicin. Hallar la eficiencia del horno fundicin.

I. MARCO TERICO

1.1. PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA

El trmino energa tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para realizar trabajo, transformar, poner en movimiento. Todos los cuerpos, pueden poseer energa debido a su movimiento, a su composicin qumica, a su posicin, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades.El uso de la magnitud energa en trminos prcticos se justifica porque es mucho ms fcil trabajar con magnitudes escalares, como lo es la energa, que con magnitudes vectoriales como la velocidad y la posicin. As, se puede describir completamente la dinmica de un sistema en funcin de las energas cintica, potencial y de otros tipos de sus componentes.La variacin de la energa en un sistema durante una transformacin es igual a la cantidad de energa que el sistema recibe de sus alrededores.

.. (1)

En la variacin de energa del sistema, cuando la masa del sistema es constante y slo participan cambios en las energas interna, cintica y potencial tendremos..... (2)El cambio en la energa total de los alrededores al sistema es igual a la energa neta transferida hacia o desde l, como calor y trabajo... (3)Para la eleccin del signo, el anlisis se hace a partir de lo que sucede en el sistema, se elige: +W: El sistema recibe trabajo -W: El sistema realiza trabajo hacia los alrededores +Q: Se transfiere calor hacia el sistema -Q: Se transfiere calor del sistema hacia los alrededoresSISTEMA+ Q- Q+ W- W

Considerando los cambios que suceden el sistema y los alrededores, se tiene:

... (4)

1.2. SEGUNDA LEY DE LA TERMODINAMICA

Es conocida como principio de la transformacin y conservacin de la energa y el concepto de entropa y segn el enunciado de dos descubridores define a la segunda ley como: Enunciado de Clausius: No hay ninguna transformacin termodinmica cuyo nico efecto sea transferir calor de una fuente fro a otro caliente. Enunciado de Kelvin: No hay ninguna transformacin termodinmica cuyo nico efecto sea extraer calor de una fuente y convertirlo totalmente en trabajo.La segunda ley no prohbe la produccin de trabajo a partir del calor, pero coloca un lmite sobre la fraccin de calor que en cualquier proceso cclico puede convertirse en trabajo.1.3. BALANCE DE MATERIA Y ENERGIA

1.3.1. Balance de materia

El objetivo de hacer un balance de materia es llegar a conocer los caudales y composiciones de las distintas corrientes de entrada y salida de un sistema y las cantidades totales y composiciones que estn en el interior del mismo en un momento dado.Los balances de materia son de hecho, una generalizacin de la ley de la conservacin de la materia a sistemas abiertos, esto es, sistemas con posibles entradas y/o posibles salidas de materia al exterior. Su utilidad en el campo industrial es muy amplia, y en general su complejidad matemtica es escasa. En forma ms general, el balance de materia se puede representar por medio de la siguiente ecuacin:

1.3.2. Balance de energa

En vez de usar las palabras Ley de conservacin de la energa, en esta definicin se usar Balance de Energa, la cual es definida como un principio fsico tan fundamental que usamos varias clases de energa para asegurar que la ecuacin quede realmente balanceada. Un Balance de energa es la expresin matemtica de la ley de conservacin de una propiedad, en este caso, la energa. La ley de conservacin de la energa que establece que sta no se crea ni se destruye. Sistema Abierto: Se intercambia materia con los alrededores. Sistema Cerrado: No intercambia materia con los alrededores. Sistema Aislado: No intercambia materia ni energa.

Balance general para energa:

ENTRADA - SALIDA: Energa neta transferida al sistema a travs de los alrededores.ACUMULACIN: incremento de energa total del sistema: energa final del sistema energa inicial del sistema.

[ENTRADA] - [SALIDA] = Q + W

Q: calor transmitido hacia el sistema desde los alrededores.W: trabajo realizado por el sistema.

Balance: Imagen N01: Balance de energa en un sistema

Fuente: Internet www.balancedeenergia.com

1.4. HORNO

1.4.1. Definicin

Aparato destinado a cocer o calentar alguna materia a altas temperaturas, consiste en una chimenea y diversas bocas por donde se introducir las sustancias a ser cocidas. En el horno se quema el combustible en contacto con cierta cantidad recomendada de aire en exceso; puede haber una pequea prdida de energa al ambiente. La energa liberada se incorpora a los gases antes de salir del horno y todos los compuestos voltiles se deben quemar antes de salir de ste.El tamao y la forma del horno dependen del tipo de combustible, del dispositivo que se use para quemarlo y de la cantidad de energa se debe liberar en un lapso determinado.Fotografa N 1: Horno Artesanal

Fuente propia

1.4.2. Horno de fundicin

Es un horno tradicional formado por unos ladrillos refractarios. Tiene forma de pequea como stano sobre una base plana y una sola abertura, la entrada. Se calienta mediante combustible (aceite quemado). El grosor, la inercia trmica de la envoltura, guarda el calor.1.4.2.1. Tipos de horno de fundicin

Hornos de llama directa: Cuando la llama o productos de combustin estn en contacto directo con la parte superior del bao lquido y la transferencia de calor es por conveccin y radiacin. Hornos de llama indirecta: La llama o productos de combustin no est en contacto con la carga solida o liquida y la transferencia de calor es por conduccin.

1.4.2.2. Operaciones del horno de fundicin

Para asegurar que el fundido es bueno, es importante seguir los siguientes pasos: Cargue combustible segn el metal que se desea obtener. Seleccione la materia prima bien. Abra la tapa del horno para colocar bien la materia prima lista para ser fundida. Cierre la tapa del horno para que la materia prima sea fundida. Inicie el derretimiento de la materia prima.

1.4.2.3. Consideraciones durante la quema

Alimentar combustible si es que faltase para que pueda alcanzar la temperatura adecuada. Para conocer si ya se alcanz la temperatura adecuada se pueden usar los siguientes mtodos: Por el color de los arcos de los hornos o por el derretimiento de la materia prima.

1.4.2.4. Mantenimiento del Horno de fundicin

Para conservar el horno en buenas condiciones y asegurar su buen funcionamiento por ms tiempo, es importante cuidar lo siguiente. Sellar las grietas que se vallan presentando continuamente dentro y fuera del horno. Reforzar los arcos. No dejar caer material fundido dentro del horno.

1.4.2.5. Materia prima Aluminio

La materia prima que se utiliza puede variar ya sea fierro, aluminio u otro. La cantidad va depender del trabajo que se quiera, ya sea fierro fundido, bronce, aluminio, placas numricas, campanas, rastras, etc.

1.4.2.6. Combustible Aceite quemado

El aceite quemado va ser utilizado como combustible del horno. Esto se obtiene de los autobuses cuando hacen cambio de aceite. La cantidad va a variar dependiendo del material a fundir, pero un aproximado para utilizar va ser de un cilindro con aceite quemado.

1.5. CONCEPTOS IMPORTANTES1.5.1. CalorEl movimiento de los tomos y molculas crea una forma de energa llamada calor o energa trmica, que est presente en todo tipo de materia.1.5.2. Calor especificoEs la cantidad de calor medida en caloras, que se requiere para elevar la temperatura de un gramo de una sustancia un grado centgrado.1.5.3. TemperaturaSe deriva de la idea de medir el calor o frialdad relativos y de la observacin de que el suministro de calor a un cuerpo conlleva un aumento de su temperatura mientras no se produzca la fusin o ebullicin.1.5.4. Transferencia de calorLosprocesosfsicospor los que se produce la transferencia de calor son la conduccin y la radiacin. La conveccin se produce a travs del movimiento de un lquido o un gas en contacto con un cuerpo de temperatura diferente.1.5.5. Conduccin de calorTransferencia de energa causada por la diferencia de temperatura entre dos partes adyacentes de un cuerpo. El calor se transfiere mediante conveccin, radiacin o conduccin. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos.

1.5.6. Ley de FourierLa conduccin trmica est determinada por la ley deFourier, que establece que el flujo detransferencia de calorpor conduccin en un medio istropo es proporcional y de sentido contrario algradientede temperatura en esa direccin.

1.5.7. EnergaCapacidad de un sistema fsico para realizar trabajo. La energa asociada al movimiento se conoce como energa cintica, mientras que la relacionada con la posicin es la energa potencial.1.5.8. EficienciaEs la relacin entre el trabajo total efectuado por una mquina en un ciclo y el calor que, durante ese ciclo, se toma de la fuente de alta temperatura.

1.5.9. AireLa alimentacin de aire es muy importante en el rendimiento del combustible, esta masa de aire de pasar antes por un filtro, aumentar su temperatura despus por el ventilador finalmente por el quemador con un exceso de 20% de aire y una temperatura mnima de 25 C.1.5.10. Gases de chimeneaEs importante conocer la cantidad de los componentes de combustin y la temperatura que no debe sobrepasar de 300 0C.1.5.10.1. Calor perdido en los gases de chimenea

1.5.11. CombustinSe entiende por combustin, la combinacin qumica violenta del oxgeno (o comburente), con determinados cuerpos llamados combustibles, que se produce con notable desprendimiento de calor.

II. PARTE EXPERIMENTAL

2.1. ASPECTOS INFORMATIVOS DE LA EMPRESA

Empresa: fundicin San Cristbal Propietario y Administrador: Sr. Tito Tomas Gonzales. Celular: 964073176 / 942735416. Ubicacin: Jr. Ancash N 320 - Chilca. Mercado: Los productos son dirigidos a diversas partes de Huancayo. Ao de creacin de la empresa: 1970 Tiempo de funcionamiento del horno: 44 aos.

Los datos en esta segunda parte se obtuvieron con las consultas del encargado de la fundicin y la ratificacin con el mtodo, la tcnica, los equipos e instrumentos aqu utilizados.2.2. MTODO UTILIZADO

El mtodo empleado es el mtodo experimental.2.3. TCNICA

La tcnica utilizada es instrumental.2.4. EQUIPOS E INSUMOS

2.4.1. Equipos

Horno de fundicin

2.4.2. Insumos

Aluminio Aceite quemado

2.5. INSTRUMENTOS

1 pirmetro 1 balanza 1 hincha

2.6. PROCESO TECNOLGICO UTILIZADO

2.6.1. Extraccin de la materia prima

Para obtener la materia prima, se comprara de lugares donde venden fierro, aluminio o bronce que ya no tenga uso. Esto despus ser partido en pedazos para ser puesto en un crisol.2.6.2. Puesta al crisol

Despus de obtener el material en pedazos, esto ser colocado dentro de un crisol para que sea fundido.2.6.3. Moldeado

La pieza que se desea obtener ser primero moldeada, cuando esto est terminado de moldear, se pasara a echar el material derretido en el molde para as obtener la pieza requerida.2.6.4. Horneado de la mezcla

El horno de la Fundicin San Cristbal va tener una forma cubica, la cual va a estar debajo de la tierra, donde ser colocado el crisol con el aluminio que se desea ser fundido, luego se proceder a cerrar, como se muestra en la fotografa N1.Fotografa N 1: Encendido del horno.

Fuente propia.

2.6.5. Retiro del material fundido del horno

Cuando el material se ha derretido estar listo para ser retirado del horno, para lo cual utilizamos unas tenazas metlicas como se muestra en la fotografa N2.Fotografa N 2: Retiro del material

Fuente propia.

2.7. DATOS

TABLA N 1:CARACTERSTICAS DEL HORNO

Dimensiones del horno Altura: 1,84 m Largo: 1,15 m Ancho: 1,2m

Volumen del horno 0,64 m3

Capacidad del horno 100 kg

Tiempo de coccin

0,75 h

Temperatura inicial 289,15 K (temperatura ambiente)

Temperatura de coccin 2453,15 K

Temperatura de las paredes (interna) 2226,15 K

Temperatura de las paredes (externa) 1298,15 K

TABLA N 2:CARACTERSTICAS DE LA MATERIA PRIMA

Aluminio Peso inicial: 98.7 kg Peso final: 97.6 kg

Combustible Aceite quemado: 99.6 kg

Residuo Escoria: 0.8 kg

2.8. CLCULOS:

2.8.1. Balance de materia en la fundicin de aluminio: Masa de aluminio: Cantidad de aire: en exceso. Masa de aluminio fundido: Escoria:

DIAGRAMA DEL PROCESO:HORNOF=98,7 kg de aluminioC=99,6kg de Combustible.G=? kg de gas de chimenea.%Carbono=50,3%Hidrogeno=6,2%Oxigeno=43,08%Nitrgeno=0,04%humedad=0.38A=?kg de aire alimentado.30% de excesoP97,6 kg de aluminio fundidoR=0,8 kg de escoria

=?

%=?

BALANCE GLOBAL:

TABLA N 3: BALANCE ESTEQUIOMETRICOComponente%wRx. Qcas.m(kg)PMn (molkg)Mol CO2Form.MolCOForm.MolH2OForm.MolN2gasesMolO2Gases

C40C+O2 CO239,84123,323,32

10,3C+1/2O2 CO10,260,860,86

H26,2H2+1/2O2 H2O6,1723,093,09

O243,0842,91321,341,34

N20,040,04280,0010,001

Humedad0,380,37

Total100,0099,63,320,863,090,0011,34

Tomando en cuenta las reacciones determinadas n(mol-kg) de CO2, H2O y CO formados y la cantidad de O2 requerido estequiomtricamente (terico) en cada una de las reacciones. Primero donde reacciona el C:

Reaccin de combustin completa

Reaccin de combustin incompleta

Segundo donde reacciona el H2:

Cantidad de N2 y O2 alimentados en el combustible.

Cantidad de O2 terico:

Calculo de la cantidad de aire alimentado (A)

Calculo de los gases de chimenea : NITRGENO:

OXGENO:

MONXIDO DE CARBONO:

DIXIDO DE CARBONO:

VAPOR DE AGUA:

Humedad eliminada = peso del aluminio inicial peso del aluminio fundido

Humedad eliminada =

Tabla N 4: Composicin de los gases de chimenea

COMPONENTEn(mol kg) %y

25,89171,71

2,9288,11

3,329,20

0,862,38

3,1078,60

TOTAL36,106100

2.8.2. Balance de energa:

Se cumple:

Calor usado para el fundido del aluminio:

Calor perdido por las paredes:

Tenemos de la ley de Fourier:

1

2e

Datos:

Calor perdido en los gases de chimenea:

PRODUCTOS

Presin1bar

HTemperatura1278,15K

HP9,2CO2

2,38CO

8,6H2O

REACTIVOSH2988,11O2

Presin1atm71,71N2

Temperatura2226,15K

combustible99600g

21,85O2

82,2N2

NAB(10-3)D(105)

CO23,325,4571,045-1,157

H2O3,1073,471,450,121

O22,9283,6390,506-0,227

N225,8913,280,5930,04

CO0,863,370,557-0,031

Q=h=9515,878 kJ

2.8.3. Hallando la eficiencia:

Para calcular la entropa del horno de fundicin, utilizamos

III. DISCUCIN DE RESULTADOS

El horno de fundicin San Cristbal es de ladrillos y tierra refractaria, el cual es idneo para las altas temperaturas en el proceso de fundicin.La prdida de calor es inevitable por la segunda ley de termodinmica, como consecuencia se tendr una eficiencia menor al 100% en este caso 62.91% lo cual es lgico, y una entropa de, tambin la produccin de CO2 y CO es inevitable producto de la combustin completa e incompleta respectivamente lo cual trae como consecuencia la contaminacin ambiental por emisin de estos gases. Dndonos a conocer que el aceite quemado no es apto para este uso, las diferentes formas de prdida de calor ya descritas y calculadas de igual forma son aceptables.Los hornos de fundicin por induccin para aluminio ofrecen una tasa de eficiencia de 60 a 75%, reduccin de prdidas debido a oxidacin, emisiones bajas, y permiten un mucho ms alto grado de pureza y uniformidad en el producto final. La principal ventaja de utilizar un horno de fundicin por induccin para preparacin es que la fuente de calor no entra en contacto directo con el aluminio. Este proceso tambin permite el mezclado cuando se deben de producir aleaciones de aluminio, porque el campo elctrico que pasa a travs del aluminio fundido en realidad agita el metal continuamente al estar siendo fundido.El horno de fundicin San Cristbal aplica la primera y segunda ley de la termodinmica, debido a que la variacin de la energa en un sistema durante la transformacin es igual a la cantidad de energa que el sistema recibe de sus alrededores.

IV. CONCLUSIONES

4.1. CONCLUSION GENERAL

Como resultado del trabajo presentado, es posible concluir que existe la aplicacin de la primera y segunda ley de la termodinmica en el horno de fundicin San Cristbal.4.2. CONCLUSIONES SECUNDARIAS

El horno de fundicin san San Cristbal tiene como caracterstica el uso de ladrillos y tierra refractaria. Con los datos obtenidos del sistema (Q, W), realizamos el balance de materia y energa. Se determin que la eficiencia del horno de fundicin es del 62.91%, esto debido a que el trabajo total efectuado por el horno en el proceso y el calor que durante este proceso se toma de la fuente de alta temperatura. Se determin que la entropa del horno de fundicin es de: debido a la cantidad decalor intercambiado entre el sistema y el medio dividido por su temperatura absoluta.

V. BIBLIOGRAFA

1. SMITH J.M., VAN NESS H.C., ABBOTT M. M. Introduccin a la Termodinmica en Ingeniera Qumica. Sptima Edicin. Edit. McGraw Hill. Mxico. 2007. 829 pgs.2. HIMMELBLAU David M. Balance de Materia y Energa. , 2000. 3. Libro de JUAN INZUNZA FISICA disponible en: http://old.dgeo.udec.cl/~juaninzunza/docencia/fisica/cap15.pdf

PAGINAS WEB UTILIZADAS:1. http://electroheatinduction.com.mx/fundicion-de-aluminio-utilizando-horno-de-induccion-sin-nucleo/2. http://ceramicaeaa.blogspot.com/2012/04/hornos-ceramicos-y-coccion.html3. http://www.xtec.cat/~cgarci38/ceta/historia/cochura.htm

ANEXOS