UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA- Facultad de Ingeniería Mecánica
2015
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
ESTUDIO DE COMBUSTIBLES INFORME DE LABORATORIO N° 5
Sección: A Autoe!: Ai"ui#$ %o&e 'e(o Mi)$i* A*+ono, Dionicio %-on. Te Teo(oo o(oo Ben$/i(e! Ro)$! Die&o An0+$* C$!ti**o F$12n M$nue* 3u4+eto C!#e(e! C-$u#i! 6$!!e Lenin
FEC3 FEC3A A DE REAL REALI7 I7AC ACI8 I8N N DEL DEL E9'E E9'ERI RIME MENT NTO O
:
28 de octubre de
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03 de noviembre de
2015
FEC3A DE ENTREGA DEL INFORME
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA- Facultad de Ingeniería Mecánica
2015
2015
INDICE INTRODUCCIÓN........................................................................................................................................................... INTRODUCCIÓN............................................................................................................................................ ............... OB!TI"O#..................................................................................................................................................... OB!TI"O#.................................................................................................................................................................... ............... $UNDA%!NTO T!ÓRICO........................................................................................................................................... T!ÓRICO............................................................................................................................ ............... %AT!RIA&!# %AT!RIA&!# UTI&I'ADO#.................................................................................................................. UTI&I'ADO#......................................................................................................................... ...................... ............... (ROC!DI%I!NTO......................................................................................................................................................... (ROC!DI%I!NTO.......................................................................................................................................... ............... C)&CU&O# * R!#U&TADO#.................................................. R!#U&TADO#....................................................................................................................... .................................................................................... ............... CONC&U#ION!#............................................................................................................................................ CONC&U#ION!#........................................................................................................................................................... ............... R!CO%!NDACION!#.................................................................................................................................................. R!CO%!NDACION!#................................................................................................................................... ............... BIB&IO+RA$IA............................................................................................................................................................. BIB&IO+RA$IA.............................................................................................................................................. ...............
INTRODUCCIÓN .
En el presente informe de laboratorio de abordó el tema de “Medición de potencia y velocidad”. Para realizar este laboratorio utilizamos dos equipos de uso uso frec frecue uent nte e en la indu indust stri ria, a, los los cual cuales es son: son: la turb turbin ina a Fran Franci ciss y los los compresores de alta y baa presión. !e realizaron medidas de presión y velocidad en ambos equipos y se realizaron c"lculos, a partir de los cuales elaboramos nuestras conclusiones. conclusiones.
UNI , $I%
ESTUDIO DE
.
COMBUSIBLES OBJETIVOS
#eterminar el valor calor$fico o Poder %alor$fico del combustible.
#eterminar los puntos de inflamación y de combustión.
&prender y conocer los m'todos de c"lculos.
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FUNDAMENTO TEÓRICO !e define al combustible como toda aquella sustancia que al o(idarse con un comburente desarrolla un )ran calor.
4.1.- TIPOS DE COMBUSTIBLES E(isten tres tipos de combustibles: sólidos, l$quidos y )aseosos. a) Combus!b"#s S$"!%os &qu$ tenemos la le*a, carbones naturales o artificiales, ba)azo, etc. El carbón es el m"s representativo de esta a)rupación. El carbón mineral es un combustible sólido ne)ro o ne)ro parduzco, compuesto esencialmente de carbono, +idró)eno, o($)eno y peque*as cantidades de nitró)eno y azufre. %lasificación de los carbones minerales por cate)or$as &!-M: /0 &1-2&%3-&: tenemos la meta antracita, antracita y semi antracita. 40 53-6M317!7: estos se clasifican se)8n su volatilidad: baa, media y alta. 90 !6553-6M317!7: se diferencian de los primeros en que presentan mayor +umedad y se desinte)ran al e(ponerse al aire. 0 ;3<13-3%7. b) Combus!b"#s L&'u!%os ;os m"s usados son el petróleo y sus derivados, tales como la )asolina, el =eroseno, el petróleo diesel, aeronafta, etc.> tambi'n tenemos los alco+oles, tanto de cereales, de madera y de ca*a. P#($"#o ;os petróleos crudos son mezclas muy compleas, que consiste sobre todo en +idrocarburos y en compuestos que contienen azufre, nitró)eno, o($)eno y trazas de metales, como constituyentes menores. ;as caracter$sticas f$sicas y qu$micas de los petróleos crudos var$an muc+o, se)8n los porcentaes de sus diversos compuestos. ;as densidades espec$ficas cubren un intervalo amplio, pero la mayor$a se encuentran entre ?.@? y ?.AB )Cml, o la )ravedad tiene valores comprendidos entre D y /9 )rados &P3. -ambi'n +ay una )ran variedad de viscosidades, pero para la mayor parte de los crudos se encuentra entre 4.9 y 49 centisto=es. ;a composición 8ltima se*ala un
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contenido de @ a @ de carbono, /? a / de +idró)eno y peque*os porcentaes de azufre, nitró)eno y o($)eno. R#*!+a%o %#" ,#($"#o (u%o ;os petróleos crudos se usan raras veces como combustible, porque son m"s valiosos cuando se refinan para formar otros productos. El primer proceso de refinado es ordinariamente una destilación simple, que separa el petróleo crudo en fracciones que corresponden, apro(imadamente en punto de ebullición a la )asolina, =eroseno, el aceite de )as, el aceite lubricante y los residuos. ;a desinte)ración catal$tica o t'rmica Gcrac=in)G se emplea para convertir =eroseno,aceite de )as G)as oilG o residuos de petróleo en )asolinas, fracciones de punto de ebullición m"s bao y coque residual. El reformado catal$tico, la isomerización, alquilación, polimerización, +idro)enación y las combinaciones de estos procesos catal$ticos se emplean para transformar los productos intermedios de refinación en )asolinas o destilados meorados. #(os#+o: Es menos vol"til que la )asolina y tiene un punto de flas+eo m"s alto, para proporcionar mayor se)uridad en su maneo. 7tras pruebas de calidad son: densidad espec$fica, color, olor, intervalo de destilación, contenido de azufre y calidad de combustión. ;a mayor parte del queroseno se emplea para calefacción en +ornillos de estufas e iluminación> se trata con "cido sulf8rico, para reducir el contenido de arom"ticos, que se queman con flama que produce +umo. Combus!b"# %!#s#" ;os motores diesel van desde los peque*os, de alta velocidad, utilizados en los camiones y autobuses, +asta los )randes, motores estacionarios de baa velocidad, utilizados en las plantas de potencia> en consecuencia se requieren diversos )rados de combustibles diesel. ;os )rados &!-M de combustibles adecuados para diferentes clases de servicio son: /(a%o 1-D &ceite combustible destilado, vol"til, para motores cuyo servicio requiera cambios frecuentes de velocidad y de car)a. /(a%o 0-D &ceite combustible destilado, de baa volatibilidad, para motores en servicio industrial o servicio móvil pesado. /(a%o 4-D &ceite combustible para motores de velocidad baa y media. ;os an"lisis anuales de combustibles proporcionan una )u$a adicional para seleccionar los combustibles, a)rup"ndolos de acuerdo con los si)uientes tipos de servicio: T!,o C-B &ceites combustibles diesel para autobuses urbanos y operaciones similares.
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T!,o T-T %ombustibles para motores diesel de camiones, tractores y servicios similares. T!,o R-R %ombustibles para motores diesel de ferrocarriles. T!,o S-M #estilado pesado y aceites residuales para )randes motores diesel estacionarios y motores marinos. ;as caracter$sticas de combustión de los motores diesel se e(presan en t'rminos del +m#(o %# #a+o, medida del retraso de i)nición. En la norma &!-M se especifican cuatro )rados de combustibles de turbina de )as de acuerdo con su empleo en diferentes clases de motores y se)8n los diversos tipos de servicio. !e describen como si)ue: /(a%o 1-/T. #estilado vol"til para turbinas de )as que requieren un combustible que se queme en forma m"s clara que el de )rado 40<-. /(a%o 0-/T. 6n combustible destilado de baa formación de ceniza de volatibilidad media, deseable en turbinas que no necesitan del )rado /0<-. /(a%o 2-/T. %ombustible poco vol"til, contiene componentes residuales y mayor cantidad de vanadio que el )rado 90<-. A#!#s Combus!b"#s ;as caracter$sticas f$sicas de los tres primeros )rados de aceites combustibles especificados en la norma &!-M son similares a los de )rados enumerados de los combustibles diesel y los de los turbinas a )as. Muc+os refinadores producen solamente un producto de cada )rado para satisfacer los requerimientos de un combustible de uso m8ltiple: es decir el combustible )rado / tambi'n puede emplearse como diesel )rado /0#, si satisface los requerimientos del n8mero de cetano, y como el )rado /0<-, si el contenido en trazas de metales es suficientemente bao. ;os )rados &!-M son los si)uientes: 3 1: &ceite destilado empleado para la evaporación en quemadores de tipo dom'stico y en los que requieren este )rado de combustible. 3 0: &ceite destilado cuyo obetivo )eneral es usarse para el calentamiento dom'stico y en calentadores que no requieran del aceite combustible H/. 3 4: 1o requiere )eneralmente de precalentamiento para su maneo o para quemarse.
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3 : El li)ero, puede requerir precalentamiento, se)8n el clima y el equipo. El pesado, puede requerir precalentamiento para quemarse y en climas fr$os, puede ser necesario para manearlo. 3 5: 1ecesita precalentamiento para quemarse y manearlo. NUMERO DE OCTANO Es una forma de medir, arbitraria la capacidad antidetonante de un combustible. ;a determinación e(perimental del octanae de un combustible se +ace se)8n el si)uiente criterio: Se toman como base de comparación dos combustibles el iso-octano, de relativamente buena propiedad antidetonante y se le adjudica el número octano 100 y el n-eptano de baja calidad antidetonante al que se le adjudica el número octano 0.
!e observa la m"(ima relación de compresión con la que puede trabaar el combustible cuyo octanae se desea determinar. !e mezclan diferentes proporciones de isoctano y n0eptano +asta lo)rar una mezcla de i)ual comportamiento antidetonante que el combustible en cuestión. El n8mero de octano est" determinado por el porcentae del iso0octano presente en la mezcla resultante. EL NUMERO CETANO El n8mero cetano, es a los combustibles diesel lo que el n8mero octano es a los combustibles para motores de e(plosión, y mide en este caso la cualidad de i)nición o autoencendido de un combustible diesel. En los motores diesel, el combustible auto encenderse al in)resar en el cilindro y encontrar el aire, en su interior, a una cierta presión y temperatura. El n8mero cetano mide la cualidad de i)nición del combustible. !u determinación se +ace de forma similar a la del n8mero octano, tomando en este caso, como referencias, el cetano % /I9 n8mero cetano /?? y al alfa0metilnaftaleno %//I/? n8mero cetano ?. &s$ un combustible con n8mero cetano B? tendr" la misma cualidad de i)nición que una mezcla de B? de cetano % /I9 y 9? de alfa0metilnaftaleno % //I/. ;os petroleos )eneralmente tienen un numero de cetano de apro(imadamente de 4 a . ) Combus!b"#s /as#osos %ombustibles que se encuentran en estado natural o artificial en forma de )as> al)unos provienen de la e(tracción natural, tal como el )as natural, cuyo proceso de
=
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refinamiento da una serie de diferentes tipos> en cuanto al m"s usado especialmente el de tipo dom'stico es el propano. Ca(a#(&s!as %# a"6u+os Combus!b"#s:
PE-2J;E7 #3E!E; 14 K D/ % K @90@B
<&!
1&-62&;
I K //0/
%74 K 4.
7L% K ?0B
14 K /.@
! K ?0
%I K ./ %4I K 9/.B
<&!0%&25J1 %74 K @
5370<&!
%7 K 44
%I K DD0D
I4 K /B
%74 K 9D0D
%I K 4
>
4.0.- PROPIEDADES F7SICAS DE PRODUCTOS DEL PETRÓLEO 4.0.1.- PODER CALOR7FICO Es la m"(ima cantidad de calor que puede transferirse de los productos de la combustión completa, cuando estos son enfriados desde la temperatura de la llama adiab"tica +asta la temperatura inicial de la mezcla aire combustible. !e e(presa por unidad de masa de combustible. !u valor depender" de la cantidad de vapor de a)ua condensado y de acuerdo al proceso de combustión a presión constante o a volumen constante. Po%#( a"o(&*!o a"o Es el que se obtiene cuando el vapor de a)ua formado durante la combustión condensa totalmente, al enfriar los productos +asta la temperatura de los reactantes. Po%#( a"o(&*!o ba8o Es el que se obtiene cuando el vapor de a)ua no condensa, al enfriar los productos +asta la temperatura de los reactantes. !e puede demostrar que: P%& 0 P%3 K %&;72 ;&-E1-E del vapor de a)ua Po%#( a"o(&*!o a 9o"um#+ o+sa+# !e determina en un proceso de combustión a volumen constante. Para el efecto se realiza un ensayo en la bomba calor$metrica. Este m'todo es utilizado para combustibles l$quidos y sólidos. Estos pueden determinarse anal$ticamente mediante la si)uiente relación: P%Kcte K 6p 0 6r 6p: Ener)$a interna de los productos. 6r: Ener)$a interna de los reactantes. 7 tambi'n puede calcularse en productos e(entos de impurezas, por la fórmula: P%Kcte K 4494? 0 9B@? d 4 P%: poder calor$fico a volumen constante en 5tuClb d : densidad espec$fica a ?C? oF Po%#( a"o(&*!o a ,(#s!$+ o+sa+# !e determina en un proceso de combustión a presión constante en un sistema o en un proceso de fluo y estado
estables. El ensayo se realiza en un calor$metro para )as del tipo de fluo continuo.
&nal$ticamente se puede calcular mediante la si)uiente ecuación: P%PKcte K Ip N Ir
Ip: Entalp$a de los productos. Ir: Entalp$a de los reactantes.
7 por la ecuación: P%PKcte K P%Kcte 0 A?.@ I En donde I es el porcentae, en peso, de +idró)eno que se obtiene por: I K 4 0 /D d La Bomba a"o(!m:(!a !e utiliza para determinar el valor calor$fico de un combustible cuando se le quema a volumen constante. Iay varios tipos de bombas calorim'tricas, tales como &tOater, #avis, Emerson, Mabler, Parr, Peters, y illiams. BOMBA CALORIM;TRICA DE EMERSON 5asa su funcionamiento en los principios de transferencia de calor para lo cual se lleva una cantidad determinada de combustible +asta su temperatura de i)nición> el calor desarrollado por la combustión es transmitido a un elemento fluido a)ua en nuestro caso> lo cual nos permite medir el calor liberado por el combustible. El poder calor$fico obtenido es a volumen constante puesto que no +ay fluido m"sico> cabe mencionar que este difiere muy poco del poder calor$fico a presión constante / por tanto para c"lculos de in)enier$a pueden tomarse indistintivamente estos poderes calor$ficos mencionados. Esta bomba presentadas por una camiseta de a)ua se)8n se aprecia en la fi)ura mostrada mas adelante pudiendo a)re)arse calor desde un medio e(terno +acia esta camiseta obteni'ndose entonces condiciones de temperatura uniformes con el adecuado control de esta transferencia de calor. %omo se)unda alternativa podr$amos dear esta camiseta vac$a y obtener condiciones con similitud adiab"tica. %onsiderando la bomba como un sistema cerrado a volumen constante tenemos:
&ntes de encendido:
=
+
=
#espu's del encendido:
#onde el an"lisis es considerado a condiciones est"ndar, o sea BBQF, 4DQ% y 4D atm y el medio interior esta saturado de a)ua> por lo tanto el vapor de a)ua formado es 8nicamente producto de la combustión> el cual al ser enfriado unto con los productos +asta las condiciones est"ndar cede su calor obteni'ndose de este modo el valor del poder calor$fico alto o superior donde: 6
representa ener)$a interna
Ec
representa ener)$a qu$mica
;os sub$ndices “r”, “p” y “t” se refieren a: reactivos, productos y total respectivamente. &s$ mismo, condiciones “ ?” son est"ndar. Entonces la ener)$a que sale del sistema se)8n los estados / y 4 del esquema anterior:
/ra ;ey de la -ermodin"mica:
−
=
=
...3 !istema cerrado, no +ay trabao K
?
=
+
−
=
−
+
...33
...333 RcalCR) de combustible en proceso
-Kcte Por otra parte: %onsiderando / y 4 dos estados en combustión adiab"tica. S K ? t 1
E
r 1
=
U
c
−
#e 3:
=
−
−
Por tanto:
=
=
=
=
−
−
−
!e)8n la ecuación 333
+
−
En proceso de combustión adiab"tica !i el I47 se condensa obtenemos el poder calor$fico bao a volumen constante> en cambio si es condensada despu's de la combustión obtenemos el poder calor$fico alto. -al como se indicó l$neas atr"s, este poder calor$fico se obtenido a volumen constante y su diferencia con el poder calor$fico a presión constante encontrado usualmente en tablas radica en:
#e 33:
=
!e sabe que:
=
−
+
y
=
Entonces:
=
33 en 3: Por lo tanto:
−
=
+
−
...3
+
−
+
−
n
=
−
n
RcalCR) combustible
#ónde: nr : n8mero de moles de reactantes )aseosos. np : numero de moles de productos de combustión, disipadores de calor %74 1ota: &mbos obtenidos del balance de la ecuación de combustión. !e +a +allado
n
que el valor promedio de in)enier$a es aceptable.
−
n
es de / , por lo tanto en c"lculos de
-al como se +a visto anteriormente la 8nica ener)$a que cruza el sistema es que es el calor que aprovec+a el a)ua contenida en el interior de la bomba. Por lo tanto, conociendo esta masa de a)ua, masa y calor especifico del recipiente, masa de combustible y la curva de calentamiento y enfriamiento transitorio es factible +allar la ener)$a calor$fica disipada durante el proceso de combustión.
=
m
=
%alor cedido por el combustible
⋅
=
=
=
⋅
m
⋅
%alor )anado por la bomba
⋅
⋅
%alor )anado por el a)ua.
+
m
Ta que
⋅
⋅
K
+
m
⋅
entonces:
⋅
P c =
⋅
B ⋅
B
H 2O ⋅
H 2O
m
m
⋅ + ⋅ #ónde: se conoce como capacidad t'rmica de absorción de la bomba y es dato proporcionado por el fabricante R.
Este poder calor$fico es necesario corre)irlo por el calor liberado por el fusible apro(. /?? calC)r, por formación de "cido n$trico 49? calC)r de "cido n$trico en trabaos de menor precisión tomar /? cal, por formación de "cido sulf8rico /9?? calC)r de azufre presente en la muestra. El calor desprendido del sistema a Kcte. Es enfriado a su temperatura ori)inal y usando factores correctivos para condiciones standard 4DQ% es posible obtener el valor calor$fico:
Pc = #onde: R: 4? calCQ% capacidad t'rmica de la absorción de la bomba, dato proporcionado por el fabricante c: volumen del combustible cm9 ρc:
densidad del combustible )rCcm9
asi mismo: T < =Tma> ? T @ P0 ? P1) C #onde: -ma( K temperatura m"(ima alcanzada -c
K -emperatura en el instante de encendido
P 1 =
×
T 1
P 2 =
×
T 2
P/, P4: Factores correctores 2/: 2')imen de aumento de la temperatura por minuto antes de encendido. 24: 2')imen de disminución de temperatura despu's del m"(imo.
-/: -iempo transcurrido desde el momento de encendido +asta alcanzar la temperatura ambiente -4: -iempo trascurrido desde -m"( a -ambiente.
MATERIALES UTILIADOS
5omba calorim'trica de Emerson
#iesel 4 /)r de combustible
-ermómetros
%ronómetro
&lambre de una aleación de micrón
Fuente de alimentación
&)itador
PROCEDIMIENTO
0 Pesar el recipiente interior del calor$metro vac$o. Poner /A?? ) de a)ua, con una temperatura de unos 9 UVFW, apro(. 4 UV%W por debao de la temperatura de la camisa e(terna. !e supone que el a)ua de la camisa est" a temperatura ambiente. 0 6na cantidad de combustible / Ucm 9W se coloca en el crisol. Ele)ir una lon)itud adecuada de un alambre de +ierro puro y de apro(imadamente ?,4D mm de di"metro, pesarlo e instalarlo a modo de bobina. Esta bobina debe tocar el l$quido, pero no el crisol. 0 !e satura el espacio con unas cuantas )otas alrededor de ?,D ml de a)ua al fondo de la bomba para saturar el espacio. Esto causar" la condensación completa del vapor de combustión, de modo que se obtendr" el Poder %alor$fico !uperior. 0 &rmar la bomba con cuidado para no derramar el combustible fuera del crisol por sacudir o )olpear la bomba. 0 %ar)ue la bomba con o($)eno a una presión de apro(imadamente 4? =)Ccm 4> y sumera la bomba en a)ua para ver que no +aya fu)as. %oloque la bomba en el recipiente interior. 3nstale el termómetro y el a)itador. El termómetro debe de estar sumer)ido por lo menos BD mm en el a)ua y a no menos de /4 mm de la bomba.
0 Pon)a en marc+a el a)itador. #ee transcurrir de 9 a minutos para que se uniformice la temperatura del a)ua en el recipiente y tome lecturas de temperatura cada minuto durante cinco minutos. Estas lecturas se utilizan para calcular la p'rdida de calor a la camisa e(terna. 0 El combustible se enciende al +acer circular corriente el'ctrica por el alambre y por estar la bomba llena de o($)eno 9?? Upsi)W. 0 2e)istre la temperatura cada 9? se)undos +asta que se alcance la temperatura m"(ima. El observador del termómetro debe estar muy alerta, porque el aumento de temperatura es muy )rande inmediatamente despu's del encendido. 06na vez alcanzada la m"(ima temperatura, se continuar" tomando lecturas cada minuto durante cinco minutos. Estas temperaturas se necesitan para calcular la p'rdida de calor a la camisa e(terna. 0 !aque la bomba del calor$metro, suelte los )ases y desarme la bomba. Xunte y pee el alambre del fusible que queda. 0 El calor desprendido del sistema a volumen constante es enfriado a su temperatura ori)inal y usando factores de corrección para condiciones de temperatura de 4D UV%W, se tiene el Poder %alor$fico: 0 Pesar los restos del alambre de i)nición. ;impiar la bomba y repetir el ensayo. !i los resultados del se)undo ensayo difieren en mas de/ por ciento con os del primer ensayo, ser" necesario +acer uno o m"s ensayos ulteriores. El producto del peso del a)ua por el aumento verdadero de temperatura del a)ua dividido por el peso de la muestra de combustible debe coincidir con el mismo valor, muy apro(imadamente, en todos los ensayos. CLCULOS RESULTADOS
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
BIBLIO/RAFIA Mec"nica de fluidos aplicada, 2obert mott, ta edición.
