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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERU
DEPARTAMENTO DE INVESTIGACIÓN E INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
PROYECTO DE INVESTIGACION:
APLICACIÓN DE LA PRIMERA Y SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA EN LA OPTIMIZACIÓN 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
SANCHEZ OCHOA, [email protected]
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.
OBJETIVOS
Objetivo General
Optimizar el proceso de cocción en un horno ladrillero 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 chorrillos
facultad de medicina humana
Condición de la Empresa:
S.A.C (3socios)
Mercado:
Los productos son dirigidos a diversas partes del 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 disposi-
tivo 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 ex-
ceso 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.
Figura 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.
Figura 3 Figura 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.
Figura 5: Horno de cámara de dos pisos
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.
Fig.5. Horno de mufla
Figura 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 cromo-
níquel y de otros metales cuya característica es la buena
conductibilidad, según las temperaturas que se quiera
alcanzar.
Figura 7: Horno eléctrico
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.
Figura 8: Horno de Gas
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 (chime-
neas).
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 es-
cala.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 car-
gado, y se enciende cuando se introduce una hornada (general-
mente 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 de-
sintegró 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 depo-
sitadas 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, ga-
ses, 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 áci-
dos 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
USUAL
PROPIEDADES
REFRACTARIAS
DUREZA USOS
Granito o feldespato o
semicaolinizado
Mediaso bajas _____ Artículos blancos
Caolín residual Altas Blanda Artículos blancos,
refratarios; vidrios
Basálticas residuales Baja Blanda Ladrillos
Arcillas primarias;
cenizas volcánicas
descompuestas.
Baja Blanda Ladrillo plano,
tejas, etc.
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 combi-
nación 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 comien-
zan a formar un silicato anhidro (Mullita: Al2O3SiO2).
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 so-
portes 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 poten-
cial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, elec-
tromagnético y nuclear, que constituyen conjuntamente las inte-
racciones 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 roza-
miento, 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, TA>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 temperatu-
ra TB>TA, 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 tempera-
tura hasta que ambas se igualan
Si TA>TB
El cuerpo A cede calor: QA=CA·(T-TA), entonces QA<0
El cuerpo B recibe calor: QB=CB·(T-TB), entonces QB>0
Como QA+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 relaciona-
con 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 condicio-
nes es necesario comparar el calor absorbido por una
sustancia (o un sistema) con el incremento de temperatura re-
sultante. 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 sustan-
cia. 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 movi-
miento, 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.”
…………………………….. (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 po-
tencial tendremos
………..…………………... (2)
0 SALREDEDORESISTEMA EE
PCSISTEMA EEUE
SISTEMA+ Q
- Q
+ W
-W
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.
…………………..…………… (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.
Considerando los cambios que suceden el sistema y los alrededores, se tie-
ne:
……………………... (4)
Para un sistema cerrado:
En un sistema cerrado, no hay cambio de masa, de energía potencial ni ci-
nética. 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.
…….………………... (5)
WQE SALREDEDORE
WQEEU PC
dUWQoUWQ
Dónde:
QQ : Representa la energía térmica que absorbe el sistema (+).
dUU : Es el cambio, de la energía interna del sistema.
WW : 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:
Enunciado 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 proce-
so 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 siste-
ma 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 posi-
bles 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:
.4.6.1.- COMBUSTIÓN: Es una oxidación rápida de una sustancia,
acompañada de la transformación de la energía química en energía mole-
cular 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 com-
bustión
matmatmalmal NACUMULACIÓPRODUCCIÓNSALIDAENTRADA
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 volú-
menes 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 intro-
ducirse 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).
{Acumulacion deenergiadentro
del s istema }={Transferenciadeenergia al
sistemaa travesde su frontera
}−{Transferenciadehacia fuera delsistemaa travesdesu frontera
}+¿
{G eneraciondeenergiadentro
del sistema }−{ Consumo deenergia dentro
del sistema }…… (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:
….….. (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.
Acumulación=(U f + Ecf +E pf )−(U i+Eci+ Epi)………. (12)
U, Ec, Ep: energías interna, cinética y potencial
Balance:
(Q−W )=∆U +Ec+Ep………………….. (13)
Imagen N°01: Balance de energía en un sistema
BALANCE DE ENERGIA
Energía potencial gzm
Energía cinética 1/2mV*V
Energía interna U = f(T)
Trabajo F*d
Calor mCΔT
Energía eléctrica VI
TIPOS DE ENERGIA
matmalmal NACUMULACIÓSALIDAENTRADA
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 tra-
bajo.
Consumo útil.- Mide por el número de calorías que re-
quieren 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:
mtCVQ 0000
Donde:
Q0 Calor acumulado
V0 Volumen de la fábrica
0 Peso específico en Kg/m2
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.
gpt QQQQ
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.
es ttVQ
gpgg tCVQ
El rendimiento del horno está dado por la siguiente relación
Q /Q, de Donde.
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
Donde:
Vg Volumen de los gases m3/ h
Cp Calor especifico a presión constante
EXTRACCIÓN DE LA ARCILLA
MOLIENDA Y PREPARACIÓN
MOLDEADO
SECADO
CARGA DEL HORNO
COCCIÓN
CLASIFICACIÓN
DISTRIBUCIÓN
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
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
I.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 H2O
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
H 6.20 H2+1/2 O2
H2O496 2 248
O 43.08 3446.4 32 107.7
N 0.04 3.2 28 0.114
CENIZAS 0.38 30.4
Total 100
Para 8000 Kg de combustible
O2 CO2 CO N O2 H2O
266.66 266.66
34.33 68.66 248
124
-107.7 -107.7
0.114
317.296 266.66 68.666 0.114 -107.7 248
C= 4024 Kg
H= 496 Kg 8000 Kg
O= 3446 Kg
N= 3.2 Kg
Mol Kg O2teorico: 266.66+34.33+124-107.7 = 317.296 mol Kg O2 teorico
Mol Kg aire teorico = 317.296 MolKg O2Teo.
.221
100
TeoMolKgO
MolKgaire
=
1510.933 MolKg aire teorico
Mol Kg aire ecxeso = 1510.933 MolKg O2 Ali.
.100
30
liMolKgaireA
xesoMolKgairee
=
453.28 molkg aire exceso
Aire alimentado = 1510.933+453.28 =1964.213 MolKg aire alimentado
Aire Kg = 1964.213 MolKgaire.
.1
29
MolKg
Kgaire
= 56962.1741 Kg de Aire
a.- Analisisenelgas de chimenea
Mol Kg N2=0.114+ 1964.273 (79/100) =1551.8423 MolKg N2
2
2
1
28
MolKgN
KgN
=
43431.5835 kg N2
Mol Kg O2= 453.28 molKg aire seco (21/100) =95.18 MolKg O2
.1
32
2
2
MolKgO
KgO
=
3046.0409 Kg O2
Mol Kg CO2= CO2formado 266.666 MolKg CO2
.1
44
2
2
MolKgCO
KgCO
= 11733.304Kg
CO2
Mol Kg CO= CO formado 68.666MolKg CO
.1
28
MolKgCO
KgCO
= 1922.648 Kg CO
Mol Kg H2O= H2O formado 248MolKg H2O
.1
18
2
2
OMolKgH
OKgH
= 4464 Kg H2O
Diferencia del ladrillo humedo – seco = 10000 Kg
∑= 14464 Kg
Balance general
ENTRADA:W ladrillohumedo = 166 000 Kg
W leña = 8000 Kg
-----------------
174000 Kg
W aire total =56962.1741 Kg
Total = 260962.1741
SALIDA:W gás de chimenea = 108617.5764 Kg
W ladrillo seco =156 000 Kg
W ceniza = 30,4 Kg
Total = 264647,9764
BALANCE DE ENERGÍA
La valoración de la eficacia del combustible se puede expresar de
varias formas. La más simple es el balance de calor que es un
recuento aritmético de las diferentes formas de energía que entran
y salen del sistema.
Energía suministrada será normalmente en forma calorífica.
Energía de salida, como calor sensible y latente a través de las
paredes.
DIAGRAMA DE BALANCE DE ENERGIA
Aire
Leña
Q paredes
Para el balance de energía utilizamos la siguiente ecuación:
HORNOGas de chimenea
Q leña = Qladrillo + Q pared +Q gas
Q ladrillo = m x Ce x ∆T
Q ladrillo = (3.9Kg)(0.879kJ/KgºK)(1223.15 – 288.15)ºK = 3205,2735kJ
Q ladrillo = 40000(3205,2735kJ) = 128210940kJ
113
3
2
2
122
11
321AhAk
L
Ak
L
Ak
L
Ah
TTQQ
mmm
I
fiPpared
A = L x A = (6)(6.5) = 39 2m
Qpared=
Chm
Kcal
Chm
Kcalmx
Chm
Kcal
Cm
º
31.221
º
5934.01038
º
5.81
)º15700)(39(
22
2
2
2
= 33188.36092kcal ~ 138979.7358kJ
Q pared = 5(138979.735)KJ= 694898.6792kJ
a.- Calor perdido por los gases de chimenea:
aireQ
=56962.1741 Kg. (1.012kJ/kg. ºK)( 573,15)ºK=33039644.53kJ
2COQ = 11732.304 Kg. (1.25kJ/kg. ºK) (573,15ºK) = 8305462,547kJ
COQ = 1922.648 Kg (0,75kJ/kg ºK) (573,15ºK) = 826474,2759kJ
2OQ
= 3046.0409Kg (1kJ/Kg ºK) (573,15ºK) = 1745838,342kJ
2NQ = 43431.5835Kg (1,104kJ/Kg ºK) (573,15ºK) =27485813,34kJ
OEVAPORADAHQ2 = 4464 Kg (2,04/Kg ºK) (573,15ºK) = 5223689,1kJ
5
1
n
iIQQv
= 76626922.13 kJ
vaporesparedLADRILLOt QQQQ
tQ = 205532760,8 kJ
b.- Eficiencia del Horno:
TOTAL
UTIL
Q
Q
= Kcal. 223893876.3
Kcal 18358000
=
128210940 kJ205532760,8 kJ
= 0.6237
DATOS OBTENIDOS:
CARACTERISTICAS DEL HORNO LADRILLERO
Horno de geometría
Cuadrada, con dos
bocas.
Altura: 5.0 m
Largo: 6.00 m
Ancho: 6.50 m
Volumen del horno 195 m3
Capacidad del horno 40 millares de ladrillos.
Tiempo de cocción 3 días y 3 noches
Temperatura inicial 15 ºC
Temperatura final 950 ºC
CARACTERISTICAS DE LOS LADRILLOS
Ladrillo húmedo
Peso 4.15 kg
Dimensiones Ancho: 14 cm.
Largo: 38 cm.
Altura:9 cm
Ladrillo seco
Peso 3.9 kg
Dimensiones Ancho: 13.1 cm.
Largo: 37.1 cm.
Altura: 8.1 cm
COMBUSTIBLE
Leña 8000 kg.
RESIDUO
Ceniza 27.5 Kg.
CAPITULO V
RESULTADOS
DISCUSION DE RESULTADOS
Los datos obtenidos en el balance de Materia son:
Los combustibles sólidos son los que más exigen exceso de aire, esto
es, del 30 al 60% más que la cantidad calculada para la combustión. Los
combustibles líquidos exigen un exceso del 10 al 30% y los gaseosos,
del 5 al 20%.
Para la leña con 20% de humedad y con un 50% de exceso de aire.
Aplicando el balance materia, la cantidad de aire alimentado al horno,
tomando un 30% de exceso fue de 42802.771 Kg.
Realizando el balance de energía se obtuvieron los siguientes datos:
Q ladrillo = 128210940kJ
Gás de Chimenea
N2 43431.5835kg
O2 3046.0409Kg
C02 11733.304Kg
C0 1922.648 Kg
H20 4464 Kg
aireQ
Q pared = 694898.6792kJ
eadelachimentQ= 76626922.13 kJ
= 33039644.53kJ
otaltQ = 172493116.3kJ
La cantidad de calor perdido por las paredes se debe al bajo rendimiento
del aislante.
La cantidad de calor perdido por los gases de chimenea se debe a la
composición del combustible.
La eficiencia del horno es de 76.83%
Se obtuvieron los resultados esperados tanto como para el balance de
materia y de energía.
El balance de materia para los combustibles y para el horno son exactos.
En el balance de energía observamos que hay un ligera variación del
0.1% debido a que existen fugas en el horno a causa del deterioro de las
paredes.
CONCLUSIONES
Se logró optimizar el proceso de cocción en un horno ladrillero aplicando la
primera y segunda ley de la termodinámica
Se Realizó el balance de materia para el combustible empleado en el
horno ladrillero.
Se Realizó el balance de energía en el horno ladrillero.
RECOMENDACIONES
La cantidad de calor perdida por las paredes se reducira haciendo uso de
unAislante formado por una mezcla de: vidrio de botella, sal gruesa y ba-
rro con lo cual se ahorra hasta un 30% las perdidas de calor.
El combustible leña de eucalipto, será remplazado por Bosta y Chala los
cuales poseen una capacidad calorifica similar al de la leña.
Los gases expulsados en la combustión de la Bosta y Chala son menos contami-
nantes y a la vez contribuye ala disminución de la Tala de eucaliptos
BIBLIOGRAFIA
SMITH J.M., VAN NESS H.C., ABBOTT M. M. Introducción a la
Termodinámica en Ingeniería Química. Séptima Edición. México. Edit.
McGraw Hill, 2007. 829 págs.
DAVID M. Principios Básicos en Ingeniería Química. Sexta Edición.
México. Prentice Hall Hispanoamericana, 1997. 640 págs.
SEARS- ZEMANSKY “calor y termodinámica”, editorial McGraw Hill-
México, 4ta edición, 1990.
ZEMANSKY M., DITTMAN R., Calor y Termodinámica. Sexta Edición. México.
Editorial McGraw Hill, 1990. 583 págs
RAYMOND CHANG, “Química general”, editorial McGraw- Hill- 7ma
edición.
SMITH J. – VAN NESS, H.-ABBOTT, M. “Introducción a la termodinámi-
ca”, 6ta edición, editorial McGraw Hill, México, 1990.
ANEXO
FOTO Nº1
Horno de ladrillos entrada lateral
FOTO Nº2
Horno de ladrillos
FOTO Nº3
El dueño nos explica la construcción de un horno ladrillero
FOTO Nº4
Secado de los ladrillos a condiciones ambientales (15 días aprox.)
FOTO Nº5
Molde de ladrillos
FOTO Nº6
Visita técnica a la planta ladrillera
