UNIVERSIDAD NACIONAL NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU DEPARTAMENTO DE INVESTIGACIÓN E INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
PROYECTO DE INVESTIGACION: APLIC APLICAC ACII N DE LA LA PRIME PRIMERA RA Y SEGUN SEGUNDA DA LEY LEY DE DE LA TERMOD TERMODIN IN MICA EN LA OPTIMIZACIÓN OPTIMIZ ACIÓN DE UN HORNO DE PRODUCCIÓN DE LADRILLOS EN LA LOCALIDAD DE PALIAN - HUANCAYO
PRESENTADO POR:
CAMASCCA CONOVILCA, Edison
[email protected]
IQGNYE
CAMASCA CRUZ, Corina
[email protected]
IQGNYE
CAPCHA ORIHUELA, Roly
[email protected]
IQA
DEUDOR MATEO, Gyusaara
[email protected]
IQGNYE
[email protected]
SANCHEZ OCHOA, Jorge
IQGNYE
TRAVEZAÑO COLQUI, Abigail
[email protected]
IQGNYE
VALENZUELA CASIMIRO, Emanuel
[email protected]
IQGNE
PRESENTADO A:
Walter S., FUENTES
AREA DE:
INVESTIGACIÓN CIENTIFICA
SEMESTRE:
Quinto
FECHA DE ENTREGA:
11/06/14
INTRODUCCIÓN La actividad de la producción ladrillera en el Perú, ha venido incrementándose en los últimos años, debido a la gran demanda del creciente sector de construcción. Asimismo dicha producción en nuestra zona del Mantaro tiene auge, a pesar de que mayormente la producción es artesanal. Por lo que nos llamó la atención realizar un estudio a dicho sector productivo. Más que nada evaluar la eficiencia de los hornos, donde se realiza el proceso de obtención del ladrillo en sí, tratar de evaluar su eficiencia y como mejorar esta, para optimizar recursos y generar menor costos de producción. Al tomar todos los datos de temperatura, tiempo de calentamiento y otros, nuestro objetivo principal será el de aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica y por consiguiente realizar los balances e materia y energía en el horno ladrillero.
INTRODUCCIÓN La actividad de la producción ladrillera en el Perú, ha venido incrementándose en los últimos años, debido a la gran demanda del creciente sector de construcción. Asimismo dicha producción en nuestra zona del Mantaro tiene auge, a pesar de que mayormente la producción es artesanal. Por lo que nos llamó la atención realizar un estudio a dicho sector productivo. Más que nada evaluar la eficiencia de los hornos, donde se realiza el proceso de obtención del ladrillo en sí, tratar de evaluar su eficiencia y como mejorar esta, para optimizar recursos y generar menor costos de producción. Al tomar todos los datos de temperatura, tiempo de calentamiento y otros, nuestro objetivo principal será el de aplicar la primera y segunda ley de la termodinámica y por consiguiente realizar los balances e materia y energía en el horno ladrillero.
OBJETIVOS
Objetivo General
Optimizar el proceso de cocción en un horno ladrillero aplicando aplicando la primera y
segunda ley de la termodinámica en la empresa ladrillera ‘’ Palian –
Huancayo ’’
Objetivos Específicos
Realizar el balance de materia para el combustible empleado en el horno ladrillero.
Realizar el balance de energía en el horno ladrillero
CAPÍTULO I ASPECTOS GENERALES DE LA EMPRESA ASPECTOS INFORMATIVOS Nombre de la empresa: CEFERREVEL INVERSIONES S.A.C
Propietario y Administrador: AMADOR CESAR VELI RAMOS
Organización de la Empresa: GERENTE GENRAL: AMADOR CESAR VELI RAMOS GERENTE DE PRODUCCIÓN: RODY JORGE VELI RAMOS GERENTE DE VENTAS: AMADOR JORGE VELI CHIQUILLANQUI
Ubicación y Acceso: Palian – Huancayo
Dirección del RUC: av. palian N° 681 Huancayo -Junín Dirección de la Planta de producción: Jr. Los guindos a 4 cuadras de la universidad UPLA facultad de medicina humana
Condición de la Empresa: S.A.C (3socios)
chorrillos
Mercado: Los productos son dirigidos dirigidos a diversas partes del valle valle del Mantaro.
Productos: Ladrillos
Año de Creación de la Empresa NOVIEMBRE DEL 2009
CAPÍTULO II FUNDAMENTO TEÓRICO
HORNO 1.1.
Definición: Aparato destinado a cocer o calentar alguna materia a altas temperaturas, consiste en una chimenea y diversas bocas por donde se introducirá 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 pequeña pérdida de energía al ambiente. La energía liberada se incorpora a los gases antes de salir del horno y todos los compuestos volátiles se deben quemar antes de salir de éste.
1.2.
Un horno es un dispositivo que genera calor y que lo mantiene dentro de un compartimento cerrado. Se utiliza tanto en la cocina para cocinar, calentar o secar alimentos, como en la industria. La energía calorífica utilizada para alimentar un horno puede obtenerse directamente por combustión (leña, gas u otro combustible), radiación (luz solar), o indirectamente por medio de electricidad (horno eléctrico)
El tamaño y la forma del horno dependen del tipo de combustible, del dispositivo que se use para quemarlo y de la cantidad de energía se debe liberar en un lapso determinado. El volumen del horno depende de la tasa de liberación de energía. Dicha tasa en función del tipo de horno, de la longitud y temperatura de la llama, del exceso de aire y de la turbulencia.
En general, la tasa de liberación de energía varía entre 120 y 580 KW/m³ (100.000 a 500.000 kcal/h m³).
1.3
Clasificación: 1.3.1 Por el diseño: a.- Hornos Kasseler: Un tipo de hornos antiguo para la cochura de tejas y alfarería, es el llamado horno Kasseler. El espacio interior es alargado y se extiende del hogar a la chimenea. La llama es horizontal y pasa por encima o a través de un puente en el fogón.
Fig ura 2: Hornos Kasseler
b.- Hornos de Cámara y Hornos Redondos: Estos hornos pueden tener distintas formas (redondos o cuadrados) y usar los principios de llama ascendente o de llama reversible. Los que usan el principio de llama ascendente no se obtiene un caldeo homogéneo, por lo que es más práctico usar hornos de llama reversible que distribuyen de forma más uniforme el calor obteniendo.
Fig ura 3
Fig ura 4
Algunos hornos, de carbón, aceite o gas, que se dedican a la cocción de la porcelana, son unos hornos muy especializados. Constan de tres pisos o cámaras, las cuales se dedican para distintas funciones.
Fig ura 5: Horno de cámara de dos pis os
c.- Hornos de Mufla: Una mufla, en realidad es una cámara cerrada construida con material refractario. Su construcción es relativamente sencilla empleándose todo tipo de combustibles. Consta de una puerta por la que se accede al interior de la cámara de cocción, en la que existe un pequeño orificio de observación. En el techo se ubica un agujero por donde salen los gases de la cámara.
Fi g .5. Horno de mufla
Fi g ura 6: Horno de mufla
d.- El Horno Anular: En las fábricas de ladrillos y tejas el horno anular ocupa un lugar preponderante entre las demás construcciones de horno. Fue inventado en 1838 por Fr. Hoffmann. Es un horno que quema continuamente, con zona de fuego viajera, y con gran aprovechamiento de calor. Originalmente se construyó con canal de caldeo circular; ahora, casi siempre en forma alargada, y con una longitud de 60 a100 metros El canal está dividido en 14 a 20 cámaras las que no se separan con paredes sino con planchas de papel que se colocan libremente entre los ladrillos y tapan un lado y otro de una o dos cámaras. Cada cámara tiene un portal en la pared exterior, que se cierra durante la cocción, y un respiradero que puede cerrarse desde arriba, y que conduce al canal de humo y chimenea.
1.2.2 Por combustible a.- Hornos Eléctricos: Los hornos alimentados con energía eléctrica son de un uso muy extendido por su comodidad y fácil manejo. En la actualidad con los sistemas de programación que se incorporan son muy útiles y fiables. En las cámaras de estos hornos van alojadas, en unos surcos o vías de las paredes, unas espirales de hilo conductor de energía eléctrica, que actúan de resistencia formadas por aleaciones de cromoníquel y de otros metales cuya característica es la buena conductibilidad, según las temperaturas que se quiera alcanzar.
Fi g ura 7: Horno eléctric o
b.- Hornos de Gas: La técnica,cada vez más avanzada, ha permitido conceder a los hornos de gas un papel destacado en el uso y posibilidades que nos brinda su uso, mostrándose muy eficaces, tanto por que los tiempos de cocción se ven reducidos y por los gastos se ven reducidos, como por su manejo. Nos resulta fácil regular la atmósfera interior del horno, simplemente variando la inyección de la mezcla de gas y aire, por lo que resultan muy útiles para hacer reducciones.
Fig ura 8: Horno de G as
1.3.- EL HORNO Y LA INDUSTRIA Existen muchas industrias que utilizan hornos, de tipos para realizar transformaciones. Entre estas industrias podemos mencionar: la industria petroquímica, industria panificadora, la metalúrgica, la industria cerámica, etc. Para lo cual enfocaremos la industria de cerámica.
a.- Hornos en la industria cerámica .: Los hornos son usados para cocer ladrillos, tejas, porcelanas, etc.
b.- Hornos para la cocción de arcillas.: Es una instalación en la que por medio del calor, se producen trasformaciones físicas y químicas en el material suministrado, el calor necesario para dichas trasformaciones procede de la reacción oxidante del oxígeno del aire sobre el carbono, hidrogeno y en algunas ocasiones sobre el azufre.
c.- características:
Instalación de combustión.
Lugar en la que se da las trasformaciones del material.
Instalación de expulsión de los productos de la combustión (chimeneas).
d.- HORNO LADRILLERO
Es un horno tradicional formado por una fábrica de tapial o adobes. Tiene forma de pequeña bóveda sobre una base plana y una sola abertura, la entrada. Se calienta mediante un fuego de leña, que se deja consumir. El grosor, la inercia térmica de la envoltura, guarda el calor.
a) Operación del horno ladrillero Para asegurar que la quema resultará buena, es importante seguir los siguientes pasos: 1. Cargue ambos hornos con ladrillo fresco. 2. Seleccione el horno que va a servir de filtro y el que va a quemar.
3. Abra la compuerta del túnel que comunica al horno que va a quemar con el
horno que va a servir de filtro y cierre la compuerta del otro
túnel. 4. Cierre la compuerta de la chimenea del horno que va a quemar y abra la
compuerta de la chimenea del horno que va a servir de filtro.
5. Tape la puerta de alimentación de combustible del horno que va a servir de filtro y las puertas de entrada de ambos hornos. 6. Instale los termopares. 7. Inicie la quema.
b) Consideraciones durante la quema 1. Alimentar combustible continuamente hasta alcanzar la temperatura adecuada. 2. Control de la lumbre. La lumbre debe iniciarse de enfrente hacia atrás, del primero al último arco, cuando se formen brazas, estas deben de distribuirse en toda la caldera. 3. Para conocer si ya se alcanzó la temperatura adecuada se pueden usar los siguientes métodos. – Por el color de los arcos de los hornos. – Por el agua que se evapora de la pared de los hornos. – Por los botes de aluminio que se funden
c) Mantenimiento del Horno ladrillero Para conservar el horno en buenas condiciones y asegurar su buen funcionamiento por más tiempo, es importante cuidar lo siguiente.
• Sellar las grietas que se vallan presentando continuamente dentro y
fuera del horno. • Reforzar los arcos. • Lubricar las compuertas de los túneles y chimeneas para su fácil
operación. • Proteger las compuertas con pintura para evitar su corrosión. • No se debe pintar o colgar objetos en las paredes del horno. • No se deben de usar para otro propósito distinto a la quema del ladrillo.
d) Ladrillo Un ladrillo es una pieza cerámica, generalmente ortoédrica, obtenida por moldeo, secado y cocción a altas temperaturas de una pasta arcillosa, cuyas dimensiones suelen rondar 24 x 12 x 6 cm. Se emplea en albañilería para la ejecución de fábricas de ladrillo, ya sean muros, tabiques, tabicones, etc.
e) Fabricación de ladrillos Hoy día, en cualquier fábrica de ladrillos, se llevan a cabo una serie de procesos estándar que comprenden desde la elección del material arcilloso, al proceso de empacado final. La materia prima utilizada para la producción de ladrillos es, fundamentalmente, la arcilla. Este material está compuesto, en esencia, de sílice, alúmina, agua y cantidades variables de óxidos de hierro y otros materiales alcalinos, como los óxidos de calcio y los óxidos de magnesio. Una vez seleccionado el tipo de arcilla el proceso puede resumirse en:
Maduración
Tratamiento mecánico previo
Depósito de materia prima procesada
Humidificación
Moldeado
Secado
Cocción
Almacenaje
e.- CLASIFICACIÓN: La clasificación para los hornos de cerámica se subdivide, considerando diferentes criterios:
f.- EN FUNCION AL TIEMPO:
Continuos.- En los que la carga y descarga se realiza
en horno encendido, adecuados para la producción a gran escala.En la que podemos mencionar Horno túnel en la que los productos se mueven por una larga cámara de 'combustión sobre una cinta trasportadora.
Intermitentes.- Donde el fuego se apaga cuando no esta cargado, y se enciende cuando se introduce una hornada (generalmente para objetos ornamentales).
II.
ARCILLAS 2.1 Concepto: La arcilla no es una roca primitiva sino el producto de la descomposición de ciertas rocas ígneas antiguas, se presenta en terrenos llamados estratificados generalmente en capas muy regulares.
La arcilla pura es el silicato de aluminio llamado caolín. Pueden ser de dos clases, según su procedencia:
Primarias o residuales: Formadas in situ, o sea, donde se desintegró
la
roca.
Contienen
partículas
sin
ninguna
clasificación, duras e inalteradas. Por su heterogeneidad no son de mucha aplicación en la industria cerámica.
Secundarias o sedimentarias: Han sido transportadas y depositadas en pantanos, lagos, el océano, etc. Están clasificadas por tamaño debido al transporte. Tienen mejores condiciones para la industria cerámica.
2.2.-PROPIEDADES DE LAS ARCILLAS. Propiedades físicas.
Elasticidad: Producida por la mezcla de la arcilla con una adecuada cantidad de agua.
Endurecimiento: Lo sufren a ser sometidas a la acción de calor.
Color: este se debe a la presencia de óxidos metálicos.
Absorción: Absorben materiales tales como aceites, colorantes,
gases, etc.
Propiedades químicas. La arcilla pura es bastante resistente a la acción química de los reactivos; sin embargo, es atacada por algunos reactivos, sobre todo si se le aplican en condiciones apropiadas de presión, temperatura y concentración.
El ácido clorhídrico y el sulfúrico concentrados la descomponen a una temperatura de 250 a300°C y actúan más lentamente sobre arcilla calcinada.
Algunos álcalis como sosa y potasa atacan el silicato alumínico si hay calentamiento prolongado y la transforman en silicatos dobles de sodio o potasio y aluminio.
El anhídrido bórico la trasforma en una masa vítrea (vitrificado) más atacable por los reactivos químicos.
Con mayor facilidad actúa el ácido fluorhídrico y los fluoruros ácidos formando fluoruro de Al y de Si.
Pero para las industrias de ladrillos y cerámica, las propiedades más importantes son las relacionadas con las reacciones efectuadas entre los diferentes silicatos de la arcilla para formar compuestos de ciertas características como resistencia, dureza, aumento de densidad, disminución de absorción, según la reacción que haya tenido lugar.
2.3.- PRINCIPALES TIPOS DE ARCILLAS CLASIFICACIÓN- PRIMARIAS O RESIDUALES. NOMBRE COMÚN O
PROPIEDADES
DUREZA
USOS
USUAL
REFRACTARIAS
Granito o feldespato o
Mediaso bajas
_____
Artículos blancos
Altas
Blanda
Artículos blancos,
semicaolinizado Caolín residual
refratarios; vidrios Basálticas residuales
Baja
Blanda
Ladrillos
Arcillas
primarias;
Baja
Blanda
Ladrillo
cenizas
volcánicas
descompuestas.
tejas, etc.
plano,
2.4.- ACCIÓN DEL CALOR SOBRE LAS ARCILLAS
La eliminación del agua higroscópica se da a una temperatura de aproximadamente 100ºC, aún no pierde su agua de composición y conserva la propiedad de dar masas plásticas.
Con una temperatura entre 300 y 400ºC el agua llamada de combinación es liberada, perdiendo la propiedad de dar masas plásticas aunque se le reduzca a polvo y se le añada suficiente agua.Entre 600 y 700ºC el agua en la arcilla es totalmente eliminada
Por la acción del calor entre 700 y 800ºC adquiere propiedades tales como dureza, contracción y sonoridad, la sílice y la alúmina comienzan a formar un silicato anhidro (Mullita: Al 2O3SiO2).
Esta combinación se completa al parecer entre 1100 y 1200ºC.
Hacia los1500ºC aparecen los primeros síntomas de vitrificación.
2.5.- COLORACIÓN Esta se debe a la presencia de óxidos metálicos, principalmente el de hierro (por sus actividades y abundancia).
III.- COMBUSTIBLE 3.1.- Leña La leña es la madera utilizada para hacer fuego en estufas, chimeneas o cocinas. Es una de las formas más simple de biomasa. Para hacer fuego también se utilizan otros restos de madera, como la broza, que son los restos de podas.
Otras materiales preparados para hacerlos arder en lugar de la leña son:
Las briquetas
Los Pellets
El carbón vegetal o mineral.
Tratándose de experiencias en la Naturaleza, lo útil será la madera. Y, de todas las maderas, aquellas que estén más secas. A pesar que, en algunos casos, la madera verde puede ser utilizada para brasas o soportes accesorios en el fuego.
3.1.1.- leña seca: Arde fácilmente y nos da buena luz y calor para el frío o laoscuridad. Es muy útil para la cocina.
3.1.2.- leña verde: Si es verde, no es leña. Pero suponiendo que necesitamos utilizarla: Es húmeda, recientemente cortada y no sirve a los fines de un buen fuego.
3.1.3.- leña muerta: Tampoco es leña. No sirve para un buen fuego. Es la que está en contacto con el suelo hace mucho tiempo. Generalmente está "podrida" y muy húmeda.
IV.- PIROMETRIA A temperatura se puede medir solo indirectamente, en función de alguna propiedad de la materia que dependa de ella, el calor de la radiación que emite el horno se emplea para determinar temperaturas por encima de los 500°C, ya que a esta temperatura la radiación comienza a ser visible. Por encima de los 1100°C es necesario emplear filtros de vidrio azul de cobalto, y a partir de los 1650°C la estimación de la temperatura se hace determinando la proporción de la luz roja y azul emitida.
A temperaturas inferiores a 500°C se usa como medida de la temperatura de observación de los "colores del recocido" principalmente en la fabricación de herramientas y en los tratamientos térmicos de los aceros.
IV.- CONCEPTOS TERMODINAMICOS 4.1.- SISTEMA: Es cualquier parte material o idealizada del universo que se separa física o mentalmente para su estudio, también se puede definir como una porción del universo que se escoge para propósitos de análisis.
4.2.- ESTADO TERMODINÁMICO: Parte de la condición global de un sistema en reposo que depende del estado de movimiento e interacciones de sus partículas componentes.
4.3.- ENERGÍA: Característica fundamental de la energía es su propiedad de conservarse frente a cualquier transformación. Frente a las diferentes formas que toma la energía, tales como energía calórica, cinética, eléctrica, magnética, mecánica, nuclear, potencial, química, etc., el hombre tiene el desafío de transformarla a la forma que le resulte más conveniente.
4.3.1.-
ENERGÍA INTERNA La energía interna de un sistema, es el resultado de la energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, de sus energías de rotación y vibración, además de la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear, que constituyen conjuntamente las interacciones fundamentales.
4.3.2.- ENERGÍA TÉRMICA Se denomina energía térmica a la energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza (energía geotérmica), mediante la combustión de algún combustible fósil (petróleo, gas natural o carbón), mediante energía eléctrica por efecto Joule, por rozamiento, por un proceso de fisión nuclear o como residuo de otros procesos mecánicos o químicos.
4.4.- CONCEPTO DE CALOR Cuando dos cuerpos A y B que tienen diferentes temperaturas se ponen en contacto térmico, después de un cierto tiempo, alcanzan la condición de equilibrio en la que ambos cuerpos están a la misma temperatura. Un fenómeno físico análogo son los vasos comunicantes. Supongamos que la temperatura del cuerpo A es mayor que la del cuerpo B, T A>TB. Observaremos que la temperatura de B se eleva hasta que se hace casi igual a la de A. En el proceso inverso, si el objeto B tiene una temperatura TB>T A, el baño A eleva un poco su temperatura hasta que ambas se igualan. Decimos que una cantidad de calor Q se transfiere desde el sistema de mayor temperatura al sistema de menor temperatura. Si los cuerpos A y B son los dos componentes de un sistema aislado, el cuerpo que está a mayor temperatura transfiere calor al cuerpo que está a menos temperatura hasta que ambas se igualan Si T A>TB
El cuerpo A cede calor: Q A=C A·(T-T A), entonces Q A<0
El cuerpo B recibe calor: QB=CB·(T-TB), entonces QB>0
Como Q A+QB=0 La temperatura de equilibrio, se obtiene mediante la media ponderada
4.4.1.- CALOR ESPECÍFICO El calor específico o capacidad calorífica específica , “c” de una sustancia es la cantidad de calor necesaria para aumentar su temperatura en una unidad por unidad de masa, sin cambio de estado:
En donde c es el calor específico, Q es la cantidad de calor, m la masa y ΔT la diferencia entre las temperaturas inicial y final. También existe la capacidad calorífica molar que se relacionacon el calor específico como:
4.4.2.- CAPACIDAD CALORÍFICA La capacidad calorífica (C) de una sustancia es la cantidad de energía necesaria para aumentar 1 ºC su temperatura. Para medir la capacidad calorífica bajo unas determinadas condiciones es necesario comparar el calor absorbido por una
sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura resultante. De hecho, la capacidad calorífica viene dada por:
[J/K] Donde:
C es la capacidad calorífica, que en general será función de las variables de estado.
ΔQ es el calor absorbido por el sistema.
ΔT la variación de temperatura
Se mide en julios por kelvin (unidades del SI). La capacidad calorífica (C) depende de la cantidad de sustancia. Su relación con el calor específico es:
Donde:
c es el calor específico
m la masa de sustancia considerada
Igualando ambas ecuaciones resulta:
4.5.- LEYES DE LA TERMODINÁMICA 4.5.1.- PRIMERA LEY DE L ETRMODINÁMICA: El término energía tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para realizar trabajo, transformar, poner en movimiento. Todos los cuerpos, pueden poseer energía debido a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades. El uso de la magnitud energía en términos prácticos se justifica porque es mucho más fácil trabajar con magnitudes escalares, como lo es la energía, que con magnitudes vectoriales como la velocidad y la posición. Así, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial y de otros tipos de sus componentes. “La variación de la energía en un sistema durante una transformación es igual a la cantidad de energía que el sistema recibe de sus alrededores.” E SISTEMA
E ALREDEDORE S
0
…………………………….. (1)
En la variación de energía del sistema, cuando la masa del sistema es constante y sólo participan cambios en las energías interna, cinética y potencial tendremos E SISTEMA U E C E P
………..…………………... (2)
El cambio en la energía total de los alrededores al sistema es igual a la energía neta transferida hacia o desde él, como calor y trabajo. E ALREDEDORE S
Q W
…………………..…………… (3)
Para la elección del signo, el análisis 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 alrededores.
SISTEMA
Considerando los cambios que suceden el sistema y los alrededores, se tiene: U E C E P Q W
……………………... (4)
Para un sistema cerrado: En un sistema cerrado, no hay cambio de masa, de energía potencial ni cinética. Donde la variación de la energía interna de un sistema es la suma del calor absorbido de su entorno y el trabajo que esta recibe. Q W U
o
Q W dU
…….………………... (5)
Dónde: Q Q
: Representa la energía térmica que absorbe el sistema (+).
U dU
: Es el cambio, de la energía interna del sistema.
W W
: Es el trabajo externo efectuado por el sistema (-).
4.5.2.- SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA: Es conocida como principio de la transformación y conservación de la energía y el concepto de entropía y según el enunciado de dos descubridores define a la segunda ley como:
E nunciado de Clausius : No hay ninguna transformación termodinámica
cuyo único efecto sea transferir calor de una fuente frío a otro caliente.
Enunciado de Kelvin: No hay ninguna transformación termodinámica
cuyo único efecto sea extraer calor de una fuente y convertirlo totalmente en trabajo. La segunda ley no prohíbe la producción de trabajo a partir del calor, pero coloca un límite sobre la fracción de calor que en cualquier proceso cíclico puede convertirse en trabajo.
4.6.- 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 están en el interior del mismo en un momento dado.
Los balances de materia son de hecho, una generalización de la ley de la conservación 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 matemática es escasa. En forma más general, el balance de materia se puede representar por medio de la siguiente ecuación: ENTRADAmal
.
4.6.1.-
SALIDA
mal
PRODUCCIÓN mat ACUMULACIÓN mat
COMBUSTIÓN: Es una oxidación rápida de una sustancia,
acompañada de la transformación de la energía química en energía molecular y de un aumento sustancial en la temperatura de las sustancias en reacción.
4.6.1.1. Elementos de la combustión Para que realiza la combustión se requiere de:
Comburente. Sustancia que provoca la combustión o la activa, ejemplo: oxigeno.
Combustible. Son elementos o sustancias que arden con facilidad, para el caso de la quema de ladrillos se emplea la leña. hojas de eucalipto.
Temperatura necesaria para que se inicie la
combustión
4.6.1.2. Ecuaciones de reacción de combustión. Es una expresión cuantitativa de las sustancias que intervienen en la reacción.
El balance de materiales en un proceso de combustión se emplea especialmente para determinar la cantidad de aire consumida de combustible en determinadas circunstancias.
4.6.1.3. Combustión parcial o incompleta Se produce cuando un hidrocarburo al reaccionar da como resultado de la combustión cinco productos CO, CO2 N2, H2O y O2.
Gas de combustión: Son los gases resultantes del proceso de combustión, incluyendo el agua, algunas veces conocido como base húmeda.
Análisis ORSAT O en base seca: Todos lo gases que resultan del proceso de combustión sin incluir el vapor de agua. El análisis de ORSAT se refiere a un tipo de aparato de análisis de gases en que los volúmenes de gases en que los volúmenes de los gases respectivos se miden sobre y en equilibrio con el agua.
composición molar del aire: Cifra empleada en la resolución de problemas en los que interviene el aire, en la composición del 79% en nitrógeno y 21% de oxigeno.
Aire teórico estequiometrico (oxigeno teórico): La cantidad de aire u oxígeno requerido para introducirse al proceso de combustión completa, algunas veces esta cantidad se conoce con el nombre de aire u oxigeno requerido.
4.7.- BALANCE DE ENERGÍA En vez de usar las palabras “Ley de conservación de la energía”, en esta definición se usar “Balance de Energía”, la cual es definida como un
principio físico tan fundamental que usamos varias clases de energía para asegurar que la ecuación quede realmente balanceada. En donde en la ecuación (8).
{ }= ℎ − + { }−{ } …… (8)
Un Balance de energía es la expresión matemática de la ley de conservación de una propiedad, en este caso, la energía. La “ley de conservación de la energía” que establece que ésta no se crea ni se
destruye. …………………………. (9)
Balance General para energía: ENTRADAmal
SALIDA
mal
ACUMULACIÓN mat
….….. (10)
Sistema Abierto: Se intercambia materia con los alrededores.
Sistema Cerrado: No intercambia materia con los alrededores.
Sistema Aislado: No intercambia materia ni energía.
ENTRADA - SALIDA: Energía neta transferida al sistema a través de los alrededores. [ENTRADA] - [SALIDA] = Q + W……………………….. (11) Q: calor transmitido hacia el sistema desde los alrededores. W: trabajo realizado por el sistema sobre los alrededores.
ACUMULACIÓN: incremento de energía total del sistema: energía final del sistema –energía inicial del sistema.
ó=( + +)− + +
………. (12)
U, Ec, Ep: energías interna, cinética y potencial Balance:
−=∆+ +
………………….. (13)
Imagen N°01: Balance de energía en un sistema
Fuente: Internet www.balancedeenergia.com
4.8.- BALANCE TÉRMICO 4.8.1.- CANTIDAD DE CALOR NECESARIO EN UN HORNO Todos los hornos industriales consumen calor de dos tipos:
Consumo de vacío.- Adoptado a as condiciones del trabajo.
Consumo útil.- Mide por el número de calorías que requieren los productos a ser cocidos.
4.8.2.- ACUMULACIÓN DEL CALOR El calor desarrollado dentro del horno se comunica en parte a sus paredes cuya diferencia de la temperatura, entre los parámetros externos e internos mide el calor acumulado. Si el trabajo es continúo como por ejemplo en el horno tipo túnel, la acumulación de calor se producirá una sola vez: Q0
V 0 0 C 0 t m
Donde: Q0 Calor acumulado V0 Volumen de la fábrica Peso específico en Kg/m 2
0
C0 Calor especifico del material tm Temperatura media de la pared.
4.8.3.-
LA CANTIDAD DE CALOR TOTAL Qt Aportada al horno es igual a la que sale.
Qt
Q Q p
Q g
Donde: Qt Cantidad total de calor Q Consumo útil. Qp Perdida por trasmisiones de las paredes. Qg Calor arrastrado por los gases que van a la chimenea.
4.8.4.- CONSUMO ÚTIL Se mide por el número de calorías que requieren los ladrillos y las que llevan consigo las escorias, que hacen imposible muchas veces comparar el poder calorífico de un carbón calentado en un laboratorio con el obtenido en la práctica, sobre todo cuando se tienen que retirar escorias que contienen en su seno carbón sin quemar; a este número de calorías hay que restarle el calor sensible de los ladrillos al cargar el horno. El rendimiento del horno está dado por la siguiente relación Q /Q, de Donde. Q
V t s
t e
Donde: V Volumen que ocupa los ladrillos a cocer.
Peso especifico
ts y te Temperatura de entrada y salida en el horno.
4.8.5.- PERDIDA POR LAS PAREDES La compensación de Qp requiere del consumo suplementario de combustible, para reducir este consumo de combustible el aislamiento de la pared en una alternativa conveniente para que Qp sea lo menor posible.
4.8.6.- PERDIDA DE CALOR ARRASTRADO POR LOS GASES Los gases de la chimenea Q g
V g C p t g
Donde: Vg Volumen de los gases m 3/ h Cp Calor especifico a presión constante tg Temperaturas de gases a la salida.
CAPITULO III PARTE EXPERIMENTAL I. MÉTODO UTILIZADO El método empleado es el método experimental.
II. TÉCNICA La técnica utilizada es instrumental.
III.
PROCESO TECNOLÓGICO UTILIZADO
1) Proceso tecnológico utilizado Producción para 40 000 ladrillos
EXTRACCI N DE LA ARCILLA
MOLIENDA Y PREPARACIÓN
MOLDEADO
SECADO
CARGA DEL HORNO
COCCI N
CLASIFICACI N
DISTRIBUCI N
IV.
PROCESO DE ELABORACIÓN DEL LADRILLO 1. Extracción de la arcilla: En la zona Cooperativa Santa Isabel, el propietario de la ladrillera “Torre –Torre” realiza la extracción de la arcilla mediante la excavación con
picos y otros materiales artesanales ya que no cuentan con maquinarias especializadas.
2. Molienda y mezcla: Se procede a moler la arcilla manualmente separando de las piedras y solidos extraños para la elaboración de la mezcla. El mezclado es efectuado en pozas en el suelo donde es mezclada la arcilla, aserrín y el agua las proporciones que se emplean es de acuerdo a la experiencia del operador, observando que la mezcla ya se encuentre lista.
3. Moldeado: La mezcla es depositada en moldes o gaberas de madera, para este proceso se hace uso de la arena para evitar que se pegue la mezcla en las paredes de la gabera, facilitando de esta manera su retiro.
4. Horneado de la mezcla El horno “Palian – Huancayo’’ tiene la estructura cuadrada o rectangular;
el molde de ladrillo ingresa al horno donde la cocción se efectúa a cielo abierto, sometiéndolos a temperatura constante haciendo uso de las leñas y hojas secas de árboles por el tiempo de 3 días y 3 noches. Se tapa al final para dejarlos enfriar cerrados y así evitar la formación de fisuras en los ladrillos por la disminución brusca de la temperatura.
Retiro de ladrillos del horno. Esperamos que descienda la temperatura del ladrillo, procediendo a realizar la descarga del ladrillo para la repartición de estos a diferentes lugares.
CAPITULO IV DISCUSIÓN Y RESULTADO DE BALANCE DE MATERIA Y ENERGÍA
CÁLCULOS 1.1 Balance de materia en la producción de ladrillos
Peso del ladrillo húmedo: 4.15 kg Peso del ladrillo seco : 3.9 Kg Leña: 8000 Kg
94000 Kg vapor de H 2O COMPONENTE
MASA%
Rx
m(Kg)
M
Mole
C
40
C+O2CO2
3200
12
266.666
10.30
C+1/2 CO
824
12
68.666
6.20
H2+1/2 O2
496
2
248
H
H2O
O
43.08
3446.4
32
107.7
N
0.04
3.2
28
0.114
CENIZAS
0.38
30.4
Total
100