Calculador de la capacidad calorífica de los gases

¿Que tratará el contenido de este artículo?

Como calcular la capacidad calorífica de los gases y de una mezcla de gases y cómo se relaciona esta propiedad (capacidad calórica, capacidad calorífica o calor específico) con la temperatura.

Objetivos del artículo.

Presentar una nueva herramienta de cálculo energético online y en acceso gratuito en nuestra web www.energianow.com

Se muestra cómo calcular la capacidad calorífica de los gases y de una mezcla de gases y cómo se relaciona esta propiedad (capacidad calórica, capacidad calorífica o calor específico) con la temperatura. Se exponen conocimientos prácticos obtenidos en el ejercicio de este tipo de trabajo industrial.

En la herramienta de cálculo que aquí se presenta se han tomado en cuenta los componentes gaseosos de mayor presencia en la industria global. Dentro de este amplio universo, los gases incluidos están muy ligados a la industria engeneral, están presentes en los humos o gases generados como productos de la combustión, en la industria de los combustibles, en laatmósfera, como contaminantes atmosféricos, etc.

Esta información o dato, la capacidad calorífica de los gases, se emplea y es imprescindible contar con ella para realizar cálculos de la eficiencia del proceso de la combustión, para determinar el nivel de energía que una determinada mezcla gaseosa contiene y/o transporta,para el cálculo de otros parámetros de importancia termodinámica, como son la entalpía y la entropía, etc. Estos parámetros son necesarios y ampliamente utilizados para realizar los balances energéticos.

Para la determinación de la capacidad calorífica se utilizan expresiones empíricas. Más abajo se presentan estas ecuaciones de cálculo. Han sido escritas aquí para cada uno de los gases que se incluyen este calculador. Estas ecuaciones reportan el calor específico con un error no superior al 5 % (en la mayoría de los gases no mayor al 1 %) en el intervalo de temperaturas entre 273º y hasta 1500 ºK (1226.84 ºC). Este intervalo a su vez será el límite de empleo del calculador y valores fuera del rango no serán procesados.

¿Cómo se realizará este cálculo y el resultado sobre qué bases y unidades se reportará?

Registrando en el Formulario de entrada el valor del intervalo de temperaturas al cual se encuentra el gas o la mezcla y seleccionando el gas o los diferentes gases que forman parte de la misma mediante el registro de la fracción volumétrica de cada uno.

Para ello debe introducir en el Formulario el valor máximo de temperatura posible para el componente gaseoso o la mezcla y el valor mínimo del intervalo o temperatura ambiente. El procesador hallará el calor específico medio dentro de ese intervalo de temperaturas.

Para calcular el calor específico medio de una mezcla de gases, hay que conocer las fracciones volumétricas de los componentes que están presentes en la mezcla. Cada componente tiene un calor específico diferente y este parámetro se comporta también diferente para cada valor de temperatura. El calor específico de la mezcla será representativo de todos los componentes que lo integran y se calculará como el valor medio ponderado de la integración de los calores específicos medios de cada participante en la mezcla.

Para conocer las fracciones volumétricas se realizará un análisis de gases. El análisis de gases (análisis Orsat), se realiza con instrumentos o equipos de laboratorio. Existen procesadores electrónicos - digitales que reportan el porciento en volumen de los principales componentes. El Orsat como equipo portátil de laboratorio, es utilizado ampliamente. Existen equipos de laboratorio de mayor precisión, como son los cromatografos de gases. Generalmente se reporta el resultado como la fracción de cada componente en la mezcla, en base seca.

La fracción volumétrica se expresa en tanto por ciento o en tanto por uno y es representativa a la fracción molar (moles de cada componente en moles totales de la muestra), o fracción en volumen, (volumen de cada componente entre el volumen total de la muestra). Conocida la fracción molar o volumétrica en la mezcla se registrarán sus valores en el Formulario de entrada del sistema. El procesador se encargará de multiplicar cada una de las fracciones volumétricas por la capacidad calórica respectiva y las integrará para hallar el calor específico promedio en el intervalo de temperatura que se haya definido.

Cuando se quiere calcular el calor específico de un gas, se introducirá en el Formulario de entrada el valor fracción molar 100 % para el gas seleccionado que es equivalente al componente puro. También se registrará el intervalo e temperatura dentro del cual se requiere ese valor.

El procesador mostrará el calor específico promedio (cpm) del gas dentro del intervalo de temperatura registrado.
Si lo que se necesita es determinar el calor específico medio de una mezcla gaseosa, se introducirán las fracciones o concentraciones volumétricas de cada uno de los componentes presentes y el intervalo de temperatura en el que se requiere que el procesador muestre la capacidad calórica promedio de la mezcla. La suma de las fracciones volumétricas tiene que cumplir la condición de ser igual a 100 %, que es el total de la mezcla gaseosa. De no cumplirse esta condición absoluta, el procesador no admitirá realizar la operación de cálculo.


El análisis Orsat. Notas.
Para proceder a establecer la calidad de la combustión, es imprescindible medir cuatro características de los gases resultantes:
a) Medida del CO2
b) Medida del CO
c) Medida del H2
d) Medida de los inquemados sólidos

El aparato Orsat es un set portátil compuesto por una probeta de medición y diferentes botellas que contienen soluciones química, componentes sólidos y un pequeño horno para la quema de los gases que no hayan combustionado. Haciendo pasar la muestra de humos por las diferentes botellas y secciones del equipo, se absorben y se van separando los diferentes componentes gaseosos que forman parte de la mezcla de humos. Así se atraparán el CO2, CO, SO2, O. El N2 se calcula por diferencia. El resultado se expresa en fracción volumétrica.

¿Cómo se puede tomar una muestra de humos?

Para hacer su análisis volumétrico de los humos hay que saber tomar una muestra representativa. Para eso se utilizan unos bulbos de cristal o botellas (borboteadores toma muestras) , que se llenan de agua, evitando que quede aire u otro gas indeseable dentro de ellas.

Para estar más seguro se pueden sumergir en un recipiente con agua, evitando el contacto con el aire atmosférico. Estas botellas disponen de una entrada y una salida por el otro extremo, ambas con sus respectivas válvulas de cierre. La válvula de entrada se conecta a una manguera de goma y esta a su vez a la toma de muestra del recipiente o
conducto de tubería que contiene el gas a analizar.

Se alimenta el gas a la botella de manera de que vaya desplazando el agua que contiene en su interior. En caso que el gas esté bajo presión negativa, como es el caso de los humos que escapan a la atmósfera en la zona inferior de la chimenea, se deja escapar lentamente el agua de la botella y eso produce un vacío o presión de succión. En este
caso hay que asegurarse que el sistema es totalmente hermético, para evitar la entrada de aire atmosférico al succionar el gas en la zona a baja presión. Una entrada de aire indeseable falsearía las concentraciones de los gases presentes en la mezcla original.

Cuando se termina de completar la muestra, se cierran las dos válvulas de bloqueo y se transporta al laboratorio para realizar el análisis de su composición química. En el equipo de laboratorio se determina la fracción de cada componente en el volumen total y se expresa el resultado en tanto por uno o tanto por 100.

Mas abajo en este artículo se resumen las expresiones de cálculo en función de las temperaturas absolutas registradas aquí para determinar la capacidad calórica de cada uno de los posibles componentes gaseosos que pueden estar presentes en la mezcla. El valor es reportado a 1 atm de presión, en cal/mol grado. El procesador convierte los valores de temperatura en ºF a valores absolutos en ºK. Las unidades de salida son Btu/pie3 ºF

Expresiones empíricas para calcular la capacidad calorífica de los gases que considera el procesador.
Gas Calor específico, Btu/pie3 ºF donde th en ºF (Vol a 60 ºF-30"Hg)

CO2 1/(T2-T1)*(6.396*(T2-T1)+(1/2)*10.1004E-03*DTk2-(1/3)*3.405E-06*DTk3)
CO 1/(T2-T1)*(6.342*(T2-T1)+(1/2)*1.836E-03*DTk2-(1/3)*0.2801E-06*DTk3)
O2 1/(T2-T1)*(6.095*(T2-T1)+(1/2)*3.253E-03*DTk2-(1/3)*1.017E-06*DTk3)
H2 1/(T2-T1)*(6.947*(T2-T1)-(1/2)*0.2E-03*DTk2+(1/3)*0.4808E-06*DTk3)
SO2 1/(T2-T1)*(6.147*(T2-T1)+(1/2)*13.844E-03*DTk2-(1/3)*9.103E-06*DTk3+(1/4)*2.057E-09*DTk4)
N2 1/(T2-T1)*(6.449*(T2-T1)+(1/2)*1.4134E-03*DTk2-(1/3)*0.0807E-06*DTk3)
Hidrocarburos gaseosos.
CH4 1/(T2-T1)*(4.171*(T2-T1)+(1/2)*14.454E-03*DTk2-(1/3)*0.267E-06*DTk3-(1/4)*1.722E-09*DTk4)
C2H6 1/(T2-T1)*(1.279*(T2-T1)+(1/2)*42.464E-03*DTk2-(1/3)*16.420E-06*DTk3+(1/4)*2.035E-09*DTk4)
C3H8 1/(T2-T1)*(-1.209*(T2-T1)+(1/2)*73.7344E-03*DTk2-(1/3)*38.666E-06*DTk3+(1/4)*7.961E-09*DTk4)
C4H10 1/(T2-T1)*(-0.012*(T2-T1)+(1/2)*92.5064E-03*DTk2-(1/3)*47.798E-06*DTk3+(1/4)*9.706E-09*DTk4)
C2H4 1/(T2-T1)*(2.706*(T2-T1)+(1/2)*29.164E-03*DTk2-(1/3)*9.059E-06*DTk3)
C2H2 1/(T2-T1)*(11.942*(T2-T1)+(1/2)*4.3874E-03*DTk2-(1/3)*0.232E-06*DTk3)
C6H6 1/(T2-T1)*(-9.478*(T2-T1)+(1/2)*119.93E-03*DTk2-(1/3)*8.702E-06*DTk3)

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Gracias por la atención,

RenéRD
Ingeniería Energética General
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