ALUMNO : CÓRDOVA BALDERA JEFFERSON RAÚL

DOCENTE : JORGE E CARLOS MORALES

CURSO : FÍSICA II

TEMA : PROBLEMAS DE MECÁNICA DE FLUIDOS

FECHA : 15 DE DICIEMBRE DEL 2014

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FACULTAD DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA

ESCUELA DE INGENIERIA INDUSTRIAL

GENERACIÓN DE ENERGÍA A PARTIR DEL BAGAZO DE CAÑA DE AZÚCAR EN LA INDUSTRIA

AZUCARERA

Física II

Chiclayo, 13 de diciembre del 2014

MARCO TEORICO

1.1 BIOMASA

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La biomasa es una fuente renovable de energía porque su valor proviene del sol. A través del proceso de fotosíntesis, la clorofila de las plantas captura su energía, y convierte el dióxido de carbono (CO2) del aire y el agua del suelo, en carbohidratos para formar la materia orgánica. Cuando estos carbohidratos se queman, regresan en forma de dióxido de carbono y agua, liberando la energía que contienen. De esta forma, la biomasa funciona como una especie de batería que almacena la energía solar. Entonces, se produce en forma sostenida, o sea, en el mismo nivel en que se consume, esa batería durará indefinidamente. (Garcés y Martinez 2007)

Las fuentes de biomasa que pueden ser usadas para la producción de energía cubren un amplio rango de materiales y fuentes: los residuos de la industria forestal y la agricultura, los desechos urbanos y las plantaciones energéticas, se usan generalmente, para procesos modernos de conversión que involucran la generación de energía a gran escala enfocados hacia la sustitución de combustibles fósiles. (Garcés y Martinez 2007)

2.2 LA CAÑA DE AZÚCAR

2.2.1. Descripción La caña de azúcar es uno de los cultivos más viejos en el mundo. Se cree que empezó a unos 3.000 años como un tipo de césped en la isla de Nueva Guinea y de allí se extendió a Borneo, Sumatra e India. La caña de azúcar pertenece a la familia de las gramíneas. Tiene el taño leñoso, de unos dos metros de altura. El tallo está lleno de un tejido esponjoso y dulce del que se extrae el azúcar. Posee hojas largas, lampiñas y flores purpúreas en panoja piramidal. Aunque la cosecha de la planta se realiza aproximadamente cada año (en las regiones cálidas), su rápida capacidad de rebrote permite varias cosechas sucesivas a partir de la siembra inicial. Al ser un cultivo perenne, permite una captura permanente del recurso tropical más abundante, la luz solar, disminuye los costos y los riesgos asociados a la siembra en los cultivos semestrales ya anuales y mantiene un cobertura constante sobre el suelo, lo que disminuye los costos de control de malezas y permite un uso más eficiente del agua y un mejor control de la erosión. (Garcés y Martinez 2007)

2.3. El BAGAZO DE LA CAÑA DE AZÚCAR

2.3.1. Composición

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El bagazo es la fibra residual de la caña de azúcar después de la molienda, es un combustible natural para producir vapor en las fábricas azucareras. Es de tamaño uniforme con longitud promedio de 5-7.5 cm. y no excede de los 2 cm. de ancho. El rango de la densidad varía entre 120-160 kg/m3. Este consiste de fibra, agua, sólidos solubles y cenizas pero es importante conocer su composición química que afecta su uso como combustible y el método por el cual puede ser quemado técnica y económicamente. El bagazo también contiene elementos considerados como materia extraña, clasificados como: materia extraña mineral y vegetal. La primera, está constituida por silicio, magnesio, calcio, sodio, potasio, óxidos de azufre, hierro, entre otros, La segunda, por residuos de cosecha como hojas secas o verdes, cogollos, chulquines, lalas y cepas. (Garcés y Martinez 2007)

2.4 CALOR ESPECÍFICO Y CAPACIDAD CALORÍFICA

El calor específico de combustión es la propiedad más importante de los combustibles y para el caso del bagazo, depende principalmente de la humedad, el contenido de azúcar, el contenido de cenizas y en cuarto grado, de la variedad de caña.

El calor específico (s) de un sustancia es la cantidad del calor necesaria para elevar un grado Celsius la temperatura de un gramo de la sustancia y la capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de calor necesario para elevar un grado Celsius la temperatura de una cantidad determinada de sustancia.

El calor específico es una propiedad intensiva (no depende de la cantidad de sustancia presente), en tanto que la capacidad calorífica es una propiedad extensiva (si depende de la cantidad de sustancia presente). La relación entre capacidad calorífica y el calor específico de una sustancia es:

C = ms (2)

M = masa de la sustancia en gramos

Su se conoce el calor específico y la cantidad de una sustancia, entonces el cambio en la temperatura de una muestra (∆t) indicará la cantidad de calor (q) que se ha absorbido o liberado en un proceso en particular. La ecuación para calcular el cambio de calor está dada por:

q = ms∆t

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q = C∆t

Donde m = masa de la muestra∆t = cambio de la temperatura

∆t = tfinal – tinicial

El signo convencional de que es igual que para el cambio de entalpía a presión constante, que es positivo para procesos endotérmicos y negativo para procesos exotérmicos.

El bagazo tiene un alto poder calorífico para producir energía pues cada libra con un 50% de humedad alcanza las 3,000 btu (medida calorífica británica). Al usarlo como combustible les permite ahorrar cada mes dos millones 800 mil colones. (Garcés y Martinez 2007)

2.5. CALORIMETRÍA

Según teorías que iniciaron el estudio de la calorimetría, el calor era una especie de fluido muy sutil que se producía en las combustiones y pasaba de unos cuerpos a otros, pudiendo almacenarse en ellos en mayor o menor cantidad. Posteriormente, se observó que, cuando se ejercía un trabajo mecánico sobre un cuerpo (al frotarlo o golpearlo, por ejemplo), aparecía calor; hecho que contradecía el principio de conservación de la energía, ya que desaparecía una energía en forma de trabajo mecánico, además de que se observaba la aparición de calor sin que hubiese habido combustión alguna. Benjamín Thompsom puso en evidencia este hecho cuando dirigía unos trabajos de barrenado de cañones observando que el aguade refrigeración de los taladros se calentaba durante el proceso. Para explicarlo, postuló la teoría de que el calor era una forma de energía. Thompson no consiguió demostrar que hubieses conservación de energía en el proceso de transformación de trabajo en calor que se obtiene por cada unidad de trabajo que se consume, que es de 0,239 calorías por cada julio de trabajo que se transforma íntegramente en calor. (Garcés y Martinez 2007)

La calorimetría es la rama de la termodinámica que mide la cantidad de energía generada en procesos de intercambio de calor. El calorímetro es el instrumento que mide dicha energía. El modelo que aquí se muestra (ver Fig. 3) es aplicable al método conocido como Berthelot – Mahler, seguido para la determinación del calor de combustión de sólidos y líquidos, utilizado en química, biología, Industria, etc. (Garcés y Martinez 2007)

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La bomba propiamente dicha, está constituida por un obús de acero inoxidable, de forma exterior cilíndrica e interior cilíndrico, cóncava, provista de una rosca mediante la que se atornilla la tapadera del mismo material. Esta cubierta posee una válvula de entrada del O2 procedente de una botella a través de un tubo de cobre provisto de manómetro y de una llave de paso. Además, sobre la misma tapadera existe otra válvula para la salida de gases. En la cara inferior de la cubierta existe un hilo grueso, situado verticalmente y terminado en un aro sobre el que se coloca una cápsula de acero o de cuarzo. En esta misma tapa penetra otro hilo grueso hilo terminado, como el anterior, en una clavija de conexión eléctrica. La muestra en forma de comprimido exactamente pesado, si es sólida, o de volumen y densidad conocidos, si es líquida, se coloca en una capsula y se conectan sendos hilos de hierro para establecer el adecuado circuito eléctrico. (Garcés y Martinez 2007)

Una vez purgada de aire la bomba llena de O2 a la presión deseada, se sitúa en el fondo de uno de los vasos del calorímetro propiamente dicho. Este último está integrado por una gran vasija de dobles paredes, aislada térmicamente del exterior y dotada de una tapadera que da paso a un agitador, a un termómetro digital y a los cables de conexión eléctrica. Seguidamente se adiciona una cantidad de agua conocida de manera que se cubre el obús un poco por encima de su superficie. Se cierra el sistema mediante dos semicírculos que ajustan convenientemente. (Garcés y Martinez 2007)

Tras estas operaciones, y una vez alcanzado el equilibrio térmico mediante la agitación permanente, se procede a la combustión de la sustancia por accionamiento de un conector manual, anotándose sucesivamente las indicaciones termométricas, Se pueden seguir varios procedimientos, por anotación o gráficamente, para conocer el desnivel térmico alcanzado tras la combustión. (Garcés y Martinez 2007)

Los datos utilizables para el cálculo del calor de combustión de la muestra, son la masa de ésta, la masa del hilo de hierro que hizo contacto, la masa del agua del calorímetro, el desnivel térmico observado en la combustión, el calor de combustión del hierro y el denominado equivalente en agua del sistema. Esta última cantidad representa el valor teórico de la masa de agua que hubiera de experimentar un desnivel térmico análogo al experimentado por todo el conjunto de las piezas, y se investiga mediante una experiencia paralela, efectuada en igualdad de condiciones, con una sustancia estándar de calor de combustión conocido. (Garcés y Martinez 2007)

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El calor de combustión que se origina se refiere a la variación de energía a volumen constante, y ha de ser corregido para conocer el correspondiente valor a presión constante. Todos los cálculos se realizan de manera que se satisfaga la expresión que iguala la cantidad de calor liberado con la del absorbido, entendiéndose por la primera a la suma del calor producido por la sustancia al quemarse en atmosfera de oxígeno y el originado por el hilo de hierro. La segunda representa la suma de calores absorbidos por el agua del calorímetro y por su entorno. Con este instrumento se han determinado, durante muchos años, magnitudes de combustión en alimentos, carbones y lignitos de la región y datos relativos a muestras industriales de interés farmacéutico. (Garcés y Martinez 2007)

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2.5.1. Calorimetría a volumen constante

Se puede decir que la bomba calorimétrica y el agua en que se sumerge constituyen un sistema aislado. Debido a que no entra ni sale calor del sistema durante el proceso, se puede escribir

qsistema = qagua + qbomba + qreaccion = 0

qsistema = 0

Donde qagua, qbomba y qreaccion son los cambios de calor del agua, de la bomba y dela reacción respectivamente así:

qreaccion = - (qagua + qbomba)

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La cantidad qagua se obtiene por:

q = ms∆t qagua =(magua) (4.184 Jg .

°C)∆t

El producto de la masa de la bomba por su calor específico es la capacidad calorífica de la bomba, que permanece constante para todos los experimentos efectuados en dicha calorimetría. De aquí:

Cbomba = mbomba X Sbomba

qbomba = Cbomba∆t

Como es una bomba calorimétrica, las reacciones ocurren bajo condiciones de volumen constante y no de presión constante, los cambios de calor no corresponden al cambio de entalpía ∆H

2.6. PODER CALORIFICO SUPERIOR (PCS) Y PODER CALORIFICO INFERIOR (PCI)

El poder calorífico de un combustible es la máxima cantidad de calor que se puede obtener de él cuando se quema en forma completa y sus productos son enfriados hasta la temperatura original de la mezcla aire- combustible. La principal característica de un combustible es su poder calorífico. Este calor se mide en Joule o julio, caloría o BTU, dependiendo del sistema de unidades. (Garcés yMartinez 2007)

Entre los productos de la combustión está presente el vapor de agua, el cual dependiendo de la temperatura de los productos, se puede permanecer como vapor, puede condensar parcialmente o condensar completamente. Como el vapor al condensar libera calor, mientras más condensado se forme, mayor calor se estará obteniendo del combustible. Esto permite diferenciar entre Poder Calorífico Inferior (PCI) y Poder Calorífico Superior (PCS). El Poder Calorífico Inferior (PCI) indica la cantidad de calor que puede proporcionar el combustible cuando toda el agua en los productos permanece como vapor, mientras el Poder Calorífico Superior (PCS) refleja el calor que puede liberar el combustible cuando toda el agua en los productos condensa. Debido a que los gases producidos durante la

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combustión al final se encuentran a temperaturas bastante bajas y a que el ensayo se lleva a cabo a alta presión, la mayor parte del agua presente en los productos condensa, por lo cual el poder calorífico que se está determinando es el superior (PCS). Como no se puede medir en el laboratorio la cantidad de agua presente después de la combustión, es imposible el cálculo del Poder Calorífico Inferior (PCI) del combustible. (Garcés y Martinez2007)

2.7. CALOR DE COMBUSTION Y CAMBIO DE ENERGÍA INTERNA (∆U)

El calor de combustión de una sustancia se define como la energía liberada en forma de calor por la reacción de combustión cuando esta ocurre a presión constante. Esta energía es igual al cambio de entalpía (∆H) que sufre el sistema (reactivos y productos) durante el proceso (reacción). (Garcés y Martinez 2007) Así:

Energía liberada en forma de calor qp = ∆H cambio de energía dentro del sistema

El calor de combustión estándar es la energía liberada en forma de calor cuando la reacción de formación ocurre a una presión constante de 1 atm y a una temperatura especificada, típicamente 25 °C. El calor de combustión se representa con el símbolo °H. (Garcés y Martinez 2007)

Es decir, si se quiere determinar qp = ∆H, la energía liberada para el proceso:

REACTIVOS (P1, T1, V1) PRODUCTOS (P1, T1, V1)

Durante el proceso anterior, se mantienen constantes la presión y la temperatura, y por lo tanto, cambia el volumen. Experimentalmente, es más conveniente y más seguro, mantener el volumen constante y permitir que la presión cambie. En otras palabras, se prefiere llevar a cabo el proceso:

REACTIVOS (P1, T1, V1) PRODUCTOS (P1, T1, V1)

De acuerdo a la ecuación anterior, se observa que la variable que se mantiene es el volumen, no la presión. Puesto que el proceso ocurre bajo condiciones a volumen constante, luego, el calor medio es qv x qv es el cambio de energía interna (∆U) que sufre el sistema.

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Energía liberada en forma de calor qv = ∆U cambio de energía dentro del sistema

En el calorímetro, el volumen es mantenido constante durante la reacción.

En una bomba calorimétrica, el calor medido para la muestra quemada es qv, el cual es el cambio de energía interna de estados iniciales y finales. El cambio de entalpía (∆H) para este proceso, se relaciona a la energía interna y qv como sigue:

∆HH = ∆U + ∆ (pV)∆ (pV) = ∆nRT

Aunque se quiere obtener ∆H, en el laboratorio se mide ∆U. Para procesos a volumen constante, ∆U se obtiene midiendo el calor qv. Para medir qv se utiliza la ecuación de calorimetría a volumen constante:

Qv = CV T

Donde Cv es la capacidad calorífica del calorímetro a volumen constante.

La capacidad calorífica del calorímetro necesita se determinada primero con una sustancia a la cual ∆H se conoce, Luego Cv para el calorímetro se determina y la ecuación puede ser usada para resolver el calor de combustión de una muestra desconocida

Resumiendo:

1. Se resuelve para la capacidad calorífica del calorímetro: Ccal = qvconocido /∆T2. Luego este valor se usa para encontrar el valor q de la muestra

desconocida: qvdesconocido = (Ccal) (∆T)

Dado que en este proceso no se produce cambio en el volumen:

Se sabe que:

W= p (∆V)

Donde, ∆V = cambio del proceso, W= trabajo

Si el trabajo es nulo (W = 0), se puede afirmar que la energía interna se debe en su totalidad a un incremento en el calor.

∆U = q – W

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∆U = q

APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA

En las fábricas de azúcar de la región, se emplea actualmente el bagazo de la caña como combustible en las calderas que generan el vapor que necesitan las turbinas para el accionamiento de generadores eléctricos, molinos de trapiches, bombas centrífugas, ventiladores, etc. y el vapor de escape se destina a los procesos de fabricación. Las presiones y temperaturas del vapor generado en estas calderas son relativamente bajas pero suficientes para lograr un equilibrio energético entre fuerza motriz y vapor para procesos. Con calderas de presión y temperatura de vapor más altas y mejor rendimiento se puede accionar una turbina con un generador eléctrico de mayor potencia, que cubre las necesidades propias de la fábrica y queda un importante excedente que se podría vender a la red de distribución pública sin que haya incremento de costos en combustible. Esta energía eléctrica generada por un combustible renovable, que se entregaría a la red de distribución pública, reemplazaría a la generada en centrales térmicas que consumen combustibles fósiles, con un impacto ambiental favorable. (Agüero,Pisa y Andina 2006)

La producción de vapor representa un consumo intensivo de energía y emplea principalmente bagazo, donde el bagazo cubre más del 63% de la demanda energética para la producción de vapor, en la industria azucarera la baja eficiencia de esta fuente energética se traduce en la quema de considerables volúmenes de su producto; su contribución energética es importante por ser una fuente de energía renovable que reduce la demanda de hidrocarburos en el sector.(Agüero, Pisa y Andina 2006)

El término Cogeneración significa, en su versión más utilizada, la "Producción de energía eléctrica a través de subproductos obtenidos de un proceso de una planta industrial o manufacturera que dispone de una fuente de energía eléctrica". Los subproductos más comunes pueden ser desechos de madera (aserrín), bagazo de caña de azúcar y otros que permitan ser usados como combustible. (Agüero, Pisa y Andina 2006)

La Cogeneración industrial incluye sistemas de utilización del calor residual de los procesos, además de los sistemas de energía total. Varios países industrializados y en vías de desarrollo están promoviendo actualmente la participación de la empresa privada en la generación de energía eléctrica, la cual

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ha sido tradicionalmente administrada por el sector público. (Agüero,Pisa y Andina 2006)

La Cogeneración a partir de materiales biomásicos presenta una alternativa de mayor rendimiento energético y económico, que tiene beneficios ambientales, y es de mayor confiabilidad, ya que permite descentralizar las plantas de generación eléctrica. Además, siendo el bagazo un material renovable subproducto de la industria guatemalteca, permite el ahorro de divisas, ya que los principales productos de importación del país son las gasolinas y otros derivados del petróleo.(Agüero, Pisa y Andina 2006)

La generación de energía eléctrica involucra como tecnología la combustión

directa de biomasa (bagazo de la caña) en el hogar de calderos acuatubulares a fin de lograr la producción de vapor de alta presión, el cual luego es conducido hacia los turbogeneradores para generar energía eléctrica. A continuación se presenta un diagrama que muestra la generación del bagazo y su utilización como combustible en los calderos para la generación de vapor y energía.

Sistema de procesamiento del bagazo de caña

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BIBLIOGRAFIA

Agüero, Carlos, Jorge Pisa, y Roberto Andina. «Consideraciones sobre el aprovechamiento racional del bagazo de caña como combustible.» Investigación y Desarrollo, 2006: 27.

Garcés, Rosa, y Sandra Martinez. «Estudio del poder calorífico del bagazo de caña de azúzar en la industria azucarera de la zona de risaralda.» Tesis, Pereira, 2007.

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