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Para determinar el poder calórico del gas incógnita, se debe calcular en primera instancia la masa del GLP y del biogás, luego establecer el calor desprendido por los gases combustionados durante las pruebas.

4.4.6.1. Comparación de las masas del butano y el biogás

Se realiza una comparación de las masas del butano y el biogás mediante cálculos con la ecuación de estado de los gases, los mismos que se detallan a continuación:

Se calcula la masa del butano (Mbt) contenida en los 5 litros aforados en el gasómetro.

Datos:

Masa molecular del butano = 58,12 kg/kmol V = 5 l = 5 000 cm3

T = 294,96 ºK

P = presión atmosférica + presión manométrica = 0,7705 kg/cm2 Rparticular del butano = 14,59 kgm/kg ºK

Para estos valores, de acuerdo a la ecuación del estado de los gases, se calculó en función de la ecuación 2.2:

𝑝 ∙ 𝑉 = 𝑀 ∙ 𝑅𝑝 ∙ 𝑇 𝑀 = 𝑝 ∙ 𝑉

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𝑀𝑏𝑡 = 0,7705

𝐾𝑔𝑓

𝑐𝑚2∙ 5000 𝑐𝑚3

14,5905 𝐾𝑔𝑓 ∙𝑚_{𝐾𝑔∙°𝐾} ∙ 294,96 °𝐾 ∙ 100 _1𝑚𝑐𝑚 Obteniendo una masa Mbt = 0, 017904 kg de butano.

Luego, se calcula la masa del biogás Mb contenida en los 5 litros aforados en el gasómetro:

Datos:

V = 5 l = 5 000m3 T = 294,96 ºK.

P = presión atm. + presión manométrica = 0,7705 kg/cm2

Rparticular del biogás = 31,566 kgm/kg ºK (obtenido en el literal 4.4.5)

Se procede a calcular la masa del biogás de forma análoga al caso anterior, teniendo así:

𝑀𝑏 = 0,7705

𝐾𝑔𝑓

𝑐𝑚2∙ 5000 𝑐𝑚3

31,566 𝐾𝑔𝑓 ∙𝑚_{𝐾𝑔∙°𝐾} ∙ 294,96 °𝐾 ∙ 100𝑐𝑚_1𝑚

Obteniendo una masa Mb = 0,0041377 kg de biogás.

4.4.6.2. Determinación del calor desprendido por el gas licuado de petróleo

En el presente proyecto se requiere conocer el poder calórico desprendido por el biogás, por esta razón, se realizará un método experimental alternativo donde se quema un gas con características conocidas como es el GLP y de esa forma se puede encontrar el poder calórico del gas incógnita. En la figura 4.19 se pueden observar los resultados obtenidos durante la combustión de 5 litros de gas licuado de petróleo, quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua contenido en el recipiente del ensayo. Como se puede apreciar al combustionar el GLP la curva es ascendente y lineal desde el punto 2 hasta el punto 6, lo que permitió obtener una diferencia de temperatura de 40,2 ºC (ver Anexo 17).

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Figura 4.19. Temperatura del agua vs. volumen de GLP quemado.

De acuerdo al experimento realizado, a continuación se calculará el valor del calor entregado por el GLP al quemarse (Qbt), que será igual al producto de su poder calórico (Pc) multiplicado por su masa (Mbt). Se tomará una densidad del butano (dbt) de 2,67 kg/m3 (Martina, 2005). 𝑄𝑏𝑡 =𝑃𝑐 ∙ 𝑀𝑏𝑡 𝑑𝑏𝑡 (𝟒. 𝟏) 𝑄𝑏𝑡 =22000 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑚3 ∙ 0,017904 𝑘𝑔 2,67 𝑘𝑔/𝑚3 = 147,523 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑄𝑏𝑡 = 147,523 𝑘𝑐𝑎𝑙

Por otro lado de acuerdo a la teoría de transmisión de calor, el agua contenida en el recipiente recibe cierta cantidad de energía. El calor recibido por el agua (Qabt) se calculará de acuerdo a la ecuación fundamental de calorimetría (ecuación 2.5), donde el calor específico del agua, obviamente, es 1 kcal/kg °C y la masa de 1 litro de agua es 1 kg (Alonso, 1986):

𝑄𝑎𝑏𝑡 = 𝑚 ∙ 𝑐𝑒 ∙ ∆𝑇 𝑄𝑎𝑏𝑡 = 1 𝑘𝑔 ∙ 1 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑘𝑔 ∙ ℃∙ 40,2 ℃ = 40,2 𝑘𝑐𝑎𝑙 𝑄𝑎𝑏𝑡 = 40,2 𝑘𝑐𝑎𝑙 0 10 20 30 40 50 60 1 2 3 4 5 6 Tem p . d e l e n say o ( °C) Volumen (l)

GLP

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De toda la energía entregada por el GLP al quemarse, solo una parte es aprovechada por el agua, el resto se pierde en el recipiente y hacía el medio ambiente. Con los datos calculados se puede determinar el rendimiento de ésta combustión, de acuerdo a la siguiente ecuación:

𝑅𝑒𝑛𝑑. =𝑄𝑎𝑏𝑡 𝑄𝑏𝑡 (𝟒. 𝟐) 𝑅𝑒𝑛𝑑. = 40,2 𝑘𝑐𝑎𝑙 147,523 𝑘𝑐𝑎𝑙 Rend. = 0,272 · 100 % Rend. = 27,2 %

El rendimiento al quemar el GLP y el biogás es el mismo, ya que las condiciones de las dos combustiones fueron iguales en: presión y temperatura del gas, presión y temperatura del ambiente, ubicación relativa entre el mechero y el recipiente de agua, de acuerdo a Martina (2005). A partir de esa suposición se comienza el cálculo de los parámetros del biogás, tomando como referencia el rendimiento alcanzado por el GLP.

4.4.6.3. Determinación del calor desprendido por el biogás

Con los datos de las pruebas realizadas con el GLP en los tres ensayos, se podrá comparar y determinar el poder calórico del biogás obtenido en este proyecto. En la figura 4.20 se indican los resultados obtenidos durante la combustión de 5 litros de biogás, quemados en el mechero de Bunsen para calentar un litro de agua contenido en el recipiente, donde se puede apreciar que desde el punto 2 hasta el punto 6 la curva asciende lentamente y no es lineal como se pudo observar en el ensayo realizado con el GLP. Permitiendo así obtener una variación de temperatura de aproximadamente 10,2 ºC. En el Anexo 17 se encuentra la tabla 2 con los datos que se registraron durante el ensayo.

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Figura 4.20. Temperatura del agua vs. volumen de biogás quemado.

Con el experimento realizado al quemar biogás, el agua contenida en el recipiente de 1 litro recibe una parte de esa energía. El calor recibido por el agua Qab se calculará de acuerdo a la ecuación 2.5:

𝑄𝑎𝑏 = 𝑚 ∙ 𝑐𝑒 ∙ ∆𝑇 𝑄𝑎𝑏 = 1 𝑘𝑔 ∙ 1 𝑘𝑐𝑎𝑙

𝑘𝑔 ∙ ℃∙ 10,2 ℃ 𝑄𝑎𝑏 = 10,2 𝑘𝑐𝑎𝑙

El calor entregado por el biogás al quemarse Qb, se calculará en función del rendimiento de la combustión del GLP y de Qab, obteniendo el siguiente resultado de acuerdo a la ecuación 4.2:

𝑄𝑏 = 𝑄𝑎𝑏 𝑅𝑒𝑛𝑑. 𝑄𝑏 =10,2 𝑘𝑐𝑎𝑙

0,272 𝑄𝑏 = 36,697 𝑘𝑐𝑎𝑙

La energía entregada por el biogás al quemarse Qb, será igual al producto de su poder calórico (Pc) multiplicado por su masa Mb y se tomará una densidad del

0 5 10 15 20 25 30 1 2 3 4 5 6 Tem p . d e l E n say o ( °C) Volumen (l)

Biogás

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biogás (db) de 1,08 kg/m3 (Martina, 2006). Se despejará el poder calórico del biogás (Pc) de la ecuación 4.1. 𝑄𝑏 =𝑃𝑐 ∙ 𝑀𝑏𝑡 𝑑𝑏𝑡 𝑃𝑐 =𝑄𝑏 ∙ 𝑑𝑏 𝑀𝑏 𝑃𝑐 = 36,697 𝑘𝑐𝑎𝑙 ∙ 1,08 𝑘𝑔/𝑚 3 0,0041377 𝑘𝑔 𝑃𝑐 = 9 578 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚3

Pero como el biogás es la composición de dos gases (CH4 y CO2) en un 98 – 99 %

de acuerdo a Hilbert (2008). En el literal 4.4.3 se determinó el porcentaje de la cantidad de partículas de metano que contiene el biogás producido por el biodigestor 2, dicha medición se realizó con el sensor SAW-MQ2, obteniendo un valor de 61,2 % de CH4. Con éste porcentaje se puede determinar el poder

calórico real del biogás, siendo este valor de 5 861 kcal/m3. El poder calórico del biogás calculado por este método experimental alternativo entrega un valor aceptable. Esto demuestra que el método propuesto es válido. De acuerdo a la bibliografía de Hilbert (2008) el poder calórico del biogás es de 5 140 kcal/m3. Demostrando así, que el experimento es confiable.