UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
Laboratorio de Ingeniería Mecánica MN463-B CÁMARA DE COMBUSTIÓN CONTINUA A PRESIÓN CONSTANTE “HILTON” Integrantes
Código
CARHUAMACA VILLENA, Jean Carlos
20110225A
CASTILLO ALVARADO, Luis Yordan
20114062J
CORILLA HINOSTROZA, Luis Alberto
20101333J
GALLARDO ESTEVES, Juan Carlos
20114032C
HUARI ESTELO, Gian Pier Fernando
20102146I
MACEDO MAMANI, Andrea Mónica
20114163K
MALCA QUISPE, Joseph Roy
20110175D
RIVERA TORRES, Jorge Yampier
20114131A
20110045K
TURPO MANSILLA, Luis Miguel
Docente:
Ing. Eliseo Paez Apolinario
Ciclo:
2014-I
CAPITULO I
RESUMEN TÉCNICO
El ensayo realizado en la cámara de combustión Hilton es el tema principal y la razón de ser del presente informe. Dicho ensayo está constituido por dos partes, las cuales son: el análisis usando como combustible GLP, y empleando Kerosene. Además, esta experiencia tiene por objeto realizar el balance térmico de este, así como analizar su desempeño.
La metodología empleada en el desarrollo de la experiencia consta en medir el flujo másico del aire, flujo másico del combustible y del agua, así como sus respectivas temperaturas, además la temperatura de los gases de escape. Los resultados obtenidos están íntimamente vinculados al desarrollo de la ecuación de la reacción de combustión, por lo que cualquier yerro u omisión en esta ecuación afectaría críticamente estos. El grupo.
INTRODUCCIÓN La necesidad del hombre de utilizar la energía del medio que lo rodea, con el fin de mejorar su modo de vida, lo obliga a transformar todo tipo de energía aprovechable, así pues es el caso de la energía química que poseen los combustibles. Sin embargo, para transformar cualquier tipo de energía en otra más conveniente para una aplicación determinada, es menester contar con un dispositivo que sea capaz de realizar la transformación antedicha, siendo este dispositivo conocido como Máquina. Este es, también, el caso de la cámara de combustión continua a presión constante Hilton, cuyo fin primario es convertir la energía generada por la combustión, en energía calorífica de un determinado combustible. De la termodinámica clásica tenemos conocimiento de que cualquier cambio de estado de un fluido de trabajo que opera en una máquina térmica, es ocasionado por la acción del calor, del trabajo o de ambos. Como toda máquina, la cámara de combustión Hilton también presenta pérdidas, que son generalmente debidas a la transferencia de calor con el ambiente, entre otras.
OBJETIVOS
Realizar el balance térmico del combustible empleado en el laboratorio. Determinar las diferencias entre la combustión del GLP y Kerosene.
CAPITULO II
FUNDAMENTO TEÓRICO 2.1. Generalidades. El rango de uso de la unidad de instrucción HILTON es extenso, desde una prueba simple pero efectiva para operarios de caldero, hasta desarrollo de proyectos e investigaciones. 2.2. Descripción La Cámara de combustión “Hilton”, es una cámara de combustión a presión constante. Partes constitutivas de la unidad: Quemador: puede ser utilizado en forma independiente con gas, kerosén o con combinación de ambos. Cámara de combustión: constituido por. 1.- Cámara Refractaria. 2.- Cámara de Combustión. 3.- Chimenea. 4.- Siete Visores. 5.- Orificio para el tubo muestreador. 6.- Bujía de Ignición. Ventilador Centrífugo
Sistema de Combustible 1.- Circuito de Combustible líquido (Kerosén). 2.- Circuito de Combustible Gaseoso (GLP). Sistema de Aire Sistemas de Agua 1- Circuito de Refrigeración de la Cámara. 2- Circuitos de Refrigeración del tubo muestreador. Panel de Control
2.3. ESPECIFICAIONES QUEMADOR Schieldron N°.3 – Patente Británica 789961 N° de serie: 1861G Quemador de Combustión preparado para operar con combustibles líquidos y gaseosos. Tiene un diseño especial para mantener la relación Aire-Combustible.
VENTILADOR B y C: Tipo y3/100 de tres etapas Marca: TORNADO Capacidad: 136 Kg/hr. A570 mm de H2O Con motor eléctrico. N° 02041_ 890051 220v- 3Ø- 60 Hz – 13.5 Amper - 5Hp 3400 RPM.
Figura N° 01.-VENTILADOR CAMARA DE COMBUSTION Compuesta de: a) Cámara Refractaria.- de 12””Ø * 11 ¾” de longitud en forma interna Cónica de 5 ¾” a 1 ¾”Ø con recubrimiento de lana de vidrio de 1” y chapa metálica exterior y provista de una bujía de ignición eléctrica.
b) Cámara de Combustión.- constituida por dos cilindros concéntricos de acero inoxidable entre los cuales circula agua. El casco interior de 18” Ø y el exterior de 20” Ø. c) Tiene también siete mirillas de vidrio, una al frente de 1 ½” de Ø y seis ubicadas a los costados tres y tres, de 2” Ø. Además dispone de un orificio con un tomador de muestra de gases refrigerado por agua.
Figura N° 02.-Cámara de combustión Hilton. CONTROLES a.- Control manual de aire y combustible que mantiene la relación en 5 a 1. b.- Válvula para regular el flujo de aire en la descarga del ventilador. c.- Válvula de regulación de flujo de combustible líquido. d.- Válvula reductora de presión del gas con presión de salida regulable. e.- Válvula de regulación de flujo de combustible. f.- Válvula para regular el flujo de agua de refrigeración. g.- Válvula para controlar el flujo de agua del tomador de muestras.
ESQUEMA DE LA CAMARA DE COMBUTION "HILTON"
ma
Ta
Ventilador
T5
T9
Tanque de Kerosene
Analizador de Gases
Bujía de Ignición
mc m
mc
Agua de Refrigeración
T2 Combustible Líquido (Kerosene)
Combustible Gaseso (Propano)
Figura N° 03.- Esquema de la Cámara de combustión Hilton
CAPITULO III
EQUIPOS E INSTRUMENTOS 3.1. Cámara Hilton
Figura N° 4.- CAMARA HILTON 3.2. Ventilador
Figura N° 5.-VENTILADOR 3.3. Protector auditivo.
Figura N° 6.-OREJERAS
CAPITULO IV
PROCEDIMIENTO 4.1 REVISIONES ANTES DE OPERAR: 1. Drenar el condensado de la cámara, sacando el tapón ubicado en la parte inferior. 2. Asegurar de que haya suficiente combustible (gas y/o líquido) para el experimento programado. 3. Ajustar los tornillos reguladores de nivel, de tal forma que los medidores del flujo de aire y de la presión de gas en la tubería marquen cero. 4.
Chequear que la operación de salida del gas sea aproximadamente
120mm de H2O, de no tener esta presión se procede a regularla mediante la válvula reductora de presión (válvula tipo diafragma). 5. Verificar el suministro de agua a la cámara y al tomador de muestra. Se recomienda un flujo inicial de agua 1000 Kg/hr. 6. Con la válvula de control de aire cerrada (posición N°1 en la escala), arrancar el ventilador hasta que alcance su velocidad de régimen. Abrir lentamente la válvula de control de aire y dejarla totalmente abierta (Posición N° 8) durante un lapso de dos minutos de tal forma de desalojar posibles gases residuales de experiencias anteriores. 7. Chequear que la bujía de encendido este en la posición correcta y se produzca a chispa (de ocurrir esto llamara al técnico).
4.2 PROCEDIMIENTO DE ENCENDIDO (Encendido con Gas GLP) 1.- Verificar todos los pasos correspondientes a la sección antes de operar”. 2.- Regular el flujo de agua a 1000Kg/hr. 3.- Abrir el agua de refrigeración para el tubo muestrador. 4.- Regular el flujo de aire a 135Kg/hr. 5.- Se oprime el botón de ignición a la vez se abre la válvula de control de Gas (situada en el panel) en forma lenta hasta conseguir el encendido. La válvula de control se ha de abrir hasta que se obtenga una combustión estable; esto se consigue con un flujo aproximado de 9 Kg/hr de Gas. Para el flujo de aire del paso 4 se recomienda de 1 a 2 Kg/hr más de flujo de gas, tan solo para encenderlo y una vez estabilizada la combustión mantener el flujo a 9Kg/hr. 6.- Se procede luego a retirar la bujía y colocar el tapón en la lumbrera de ignición. 4.1.3. OPERACIÓN CON COMBUSTIBLE LÍQUIDO (Kerosene) 1.- Se realizan todos los pasos de la sección de “encendido por gas”, con lo que tendremos una combustión estable. 2.- Se abre la válvula general de combustible (Kerosén) situada en la tubería de suministro. 3.- Se abre la válvula de control de Kerosén (situada en el panel) en forma lenta y en forma simultánea se va cerrando la válvula de control de gas (también en el panel) cuidando que la combustión no se interrumpa. La válvula de control de Kerosén se ha de abrir hasta lograr una combustión estable, lo cual se consigue con un flujo aproximado de 10 Kg/hr de Kerosén.
Conseguida la combustión este flujo se reduce a 7Kg/hr. 4.- Si la combustión se interrumpe, cerrar inmediatamente las válvulas de control de combustible. Dejar funcionando el ventilador durante dos minutos de tal forma de desalojar los gases residuales, procediendo luego a reiniciar todo el proceso de encendido.
4.4 INSTRUCCIONES DE PARADA 1.- Cerrar la válvula de combustible del panel. 2.- Cerrar las válvulas de suministro en la tubería principal. 3.- Dejar funcionar el ventilador por dos minutos para la cámara, cuidando que la palanca de control de flujo de aire esté colocada en la posición 8. 4.- Parar el ventilador y luego colocar la palanca de control de flujo de aire en la posición 1. 5.- Cortar el suministro eléctrico. 6.- Dejar correr el agua de refrigeración por espacio de 5 minutos y luego cerrar la válvula.
CAPITULO V
CÁLCULOS Y RESULTADOS I)
Análisis de gases:
Combustible Datos
GLP
Aire – Gas
Agua
mC (Kg/hr)
TC (°C)
ma (Kg/hr)
Ta (°C)
Tg (°C)
11
20
148
34
679
1000
27
10,2
20
148
35
694
1000
9,3
21
148
35
668
8,1
21
148
35
631
ORSAT
m Te Ts (Kg/hr) (°C) (°C)
%CO2 (b)
%O2 (c)
82
11,350
0,053
2,340 13,455
27
84
12,720
0,105
0,905 14,510
1000
26
81
13,722
0,453
0,053 15,914
1000
26
76
12,390
2,304
0,211 18,272
El analizador ORSAT nos permite conocer el diferencia también el
,
,
%CO (d)
(d) y por
, es decir las concentraciones de los gases de escape
producto de la combustión. En nuestro caso no contamos con dicho instrumento por lo que recurrimos al gráfico proporcionado en la guía de Laboratorio elaborado experimentalmente, referido a la cámara Hilton. Este gráfico se presenta en la página siguiente.
Determinación de la Relación Aire-Combustible (real):
Realizando el balance de moles tendremos:
Con ello la relación Aire – Combustible real se calcula como:
ra/c
Determinación de la relación aire-combustible real:
GLP
+
+
+
+
+
x
y
a
B
c
d
e
f
r(a/c)r
13,690
41,472
22,941
11,350
0,053
2,340
86,257
20,736
15,306
13,625
38,664
22,944
12,720
0,105
0,905
86,269
19,332
15,580
13,775
34,443
22,812
13,722
0,453
0,053
85,772
17,221
15,678
12,601
31,329
22,632
12,390
2,304
0,211
85,095
15,664
17,021
Determinación de la relación aire-combustible teórico:
+
GLP
x
y
+
+
a
b
c
d
r(a/c)t
13,690 41,472
24,058
13,690
90,459
20,736
16,052
13,625 38,664
23,291
13,625
87,575
19,332
15,816
13,775 34,443
22,386
13,775
84,170
17,221
15,385
12,601 31,329
20,433
12,601
76,827
15,664
15,367
Cálculo del exceso de aire:
Cálculo del Exceso de Aire:
GLP
Cálculo de la cantidad de Carbono e Hidrógeno en el combustible:
II)
% Exceso C (Kg carbono/ de aire Kg comb.)
H (Kg hidrógeno/Kg comb.)
r(a/c)t
r(a/c)r
1
16,052
15,306
-4,645
0,798
0,202
2
15,816
15,580
-1,491
0,809
0,191
3
15,385
15,678
1,903
0,828
0,172
4
15,367
17,021
10,762
0,828
0,172
Balance Térmico:
1) Calor liberado por el combustible (
Donde:
):
2) Calor cedido al agua de refrigeración (
):
Donde:
GLP
Calor cedido al agua de refrigeración mag (Kg/hr)
mC (Kg/hr)
Te (°C)
Ts (°C)
Q1 (KJ/Kg comb)
1000
11
27
82
20900,000
1000
10,2
27
84
23358,824
1000
9,3
26
81
24720,430
1000
8,1
26
76
25802,469
3) Calor cedido a los gases de escape ( (
):
)
[
]
Donde:
Propano
Calor cedido a los gases de escape Tg (°C)
mg (Kg/hr)
Ta (°C)
C (Kg carbono/ Kg comb.)
Q2 (KJ/Kg comb)
679
14,492
34
0,798
9375,388607
694
14,859
35
0,809
9821,229991
668
15,126
35
0,828
9603,648489
631
16,476
35
0,828
9849,21073
4) Calor cedido al agua formada por la combustión: [
(
)
(
)]
Donde:
[
Donde:
]
Calor cedido al agua formada por la combustión (GLP) H (Kg H2 / Kg comb)
Tpp (C°)
Tc (C°)
hfg pp (KJ/Kg)
Tg (°C)
0,101
48,60 47,65 48,64 47,58
20,00
2385,24 2383,98 2384,90 2382,44
679 694 668 631
0,096 0,086 0,086
20,00 21,00 21,00
5) Calor perdido por combustión incompleta (
Presión Parc. (KPa) 11,435 11,055 11,805 11,087
Q3 (KJ/Kg comb) 3371,415 3220,843 2864,437 2792,361
):
GLP
Calor perdido por combustión incompleta C (Kg carbono/ Kg comb.)
Q4 (KJ/Kg comb)
0,171
0,798
3229,767
0,066
0,809
1271,545
0,004
0,828
75,345
0,017
0,828
327,460
6) Calor cedido por calentamiento de la humedad del aire (
Donde: [
]
[
]
):
Calor perdido por calentamiento de la humedad del aire
GLP
Tg (°C)
r(a/c)r
M
TBS (C°)
Q5 (KJ/Kg comb)
679
0,019
15,306
0,291
18,940
369,130
694
0,019
15,580
0,296
18,940
384,273
668
0,019
15,678
0,298
18,940
371,804
631
0,019
17,021
0,323
18,940
380,633
7) Calor perdido por radiación, convección y otros: ∑
GLP
Calor perdido por radiación, convección y otros QL (KJ/Kg comb)
Q1 (KJ/Kg comb)
Q2 (KJ/Kg comb)
Q3 (KJ/Kg comb)
Q4 (KJ/Kg Q5 (KJ/Kg comb) comb)
Q6 (KJ/Kg comb)
50264,5
20900,000
9375,389
3371,415
3229,767
369,130
13018,799
50264,5
23358,824
9821,230
3220,843
1271,545
384,273
12207,786
50264,5
24720,430
9603,648
2864,437
75,345
371,804
12628,835
50264,5
25802,469
9849,211
2792,361
327,460
380,633
11112,367
Tabla de Resultados Experimentales:
TABLA DE RESULTADOS
GLP
Comb.
% Exceso de aire
Pun to
r(a/c)r
1
15,306
-4,645
50264,5
2
15,580
-1,491
3
15,678
4
17,021
Q1
QL
Q2
Q3
Q4
Q5
Q6
(KJ/Kg)
%
KJ/Kg
%
KJ/Kg
%
KJ/Kg
%
KJ/Kg
%
KJ/Kg
%
KJ/Kg
41,580 20900,000
18,652
9375,389
6,707
3371,415
6,426
3229,767
0,734
369,130
25,901
13018,799
50264,5
46,472 23358,824
19,539
9821,230
6,408
3220,843
2,530
1271,545
0,765
384,273
24,287
12207,786
1,903
50264,5
49,181 24720,430
19,106
9603,648
5,699
2864,437
0,150
75,345
0,740
371,804
25,125
12628,835
10,762
50264,5
51,333 25802,469
19,595
9849,211
5,555
2792,361
0,651
327,460
0,757
380,633
22,108
11112,367
DIAGRAMA DE SANKEY
Calor Cedido al Agua de Refrigeración 51,333 % Calor Cedido a los gases de escape 19,595 %
Calor cedido al agua formada por la combustión 5,555 %
Calor perdido por combustión incompleta 0.651 %
Calor perdido por radiación, convección y otros 22,108 %
Calor Liberado por el combustible 100%
Calor perdido por calentamiento de la humedad del aire 0,757%
OBSERVACIONES La cámara “Hilton”, es un equipo que nos permite realizar múltiples ensayos de tal manera podemos conocer las condiciones óptima de uso de los combustibles. Es necesario esperar un intervalo de dos minutos entre medición para tomar una lectura estable.
La recopilación de los parámetros resulta directa debido a los equipos de medición
ya
instalados
como
termocuplas
y
fluxómetros
ubicados
convenientemente. Su uso demanda una instrucción previa del operario y ceñirse a los manuales de uso de dicha cámara. En la experiencia realizada se buscó hallar la relación de aire y combustible más óptima, para ello se empleó solamente un tipo de combustible (gas Propano).
Debemos tener presente que no se contó con el Analizador Orsat, por lo que empleamos la gráfica de Análisis de Gases de escape vs. Relación aire – combustible proporcionada en la guía de laboratorio. Esto nos infiere cierto grado de imprecisión en nuestros cálculos.
CONCLUSIONES En base a los datos experimentales recopilados podemos apreciar que la mayor parte de la energía calorífica producida se cede al agua de refrigeración, en segundo lugar están los gases de escape, después tenemos al agua formada por la combustión como lo demuestra el diagrama Sankey empleado para analizar los datos.
Cuando se trabajaron relaciones aire-combustible menores a la teórica, es decir con falta de aire se obtienen mayores pérdidas referidas a los gases producto de la combustión.
La eficiencia de este caldero de ensayo oscila alrededor del 48% siendo diversas las causas de dichas pérdidas, típico de una máquina térmica.
Un factor importante resulta el comportamiento de las pérdidas por radiación y convección pues éstas aumentan al aumentar la relación aire-combustible contraponiéndose con el efecto positivo que sería este efecto en referencia a las pérdidas por combustión incompleta.
El análisis realizado nos permite identificar las pérdidas energéticas relevantes a fin de optimizar su rendimiento al variar la relación aire-combustible y acercarnos a la teórica para un combustible dado.
RECOMENDACIONES Recomendamos seguir adecuadamente los procedimientos para la operación de la cámara Hilton pues los resultados dependen fundamentalmente de la graduación inicial, pues las lecturas son directas. Tomar los datos de forma sistemática y ordenada. Se recomienda esperar un lapso de 2 minutos entre cada medición pues de esta forma obtendremos una temperatura estable. Ensayar el combustible para relaciones aire-combustible mayores y menores pues de esta forma se apreciará el comportamiento energético frente a excesos y defectos de aire.
