Informe Camara Hilton

LAB. INGENIERIA MECANICA II

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA - UNI

ÍNDICE

I. II.

OBJETIVO……………………………………………………………….. ..

2

FUNDAMENTO TEORICO…………………………………………….. .. 3

III.

EQUIPOS E INSTRUMENTOS………………………………………….

IV.

DATOS DE LA EXPERIENCIA…………………………………….….. .. 7

V.

5

BALANCE TERMICO…………………………………………………....

10

VI.

CALCULO Y RESULTADO……………………………………………....

15

VII.

GRAFICOS……………………………………………………………….. ..

17

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES……………………………...

22

VIII.


I.


OBJETIVO

A pesar de la aportación de la energía nuclear, hidráulica, solar, eólica y otras fuentes de energía renovables, la inmensa mayoría de la energía procede de la combustión de hidrocarburos. Estos combustibles son, por lo general, finitos en cantidad, por lo que es indispensable que se usen de forma eficiente y económica a fin de conservar los recursos y reducir la polución. Toda persona cuya actividad esté relacionada, de un modo u otro, con el consumo de energía debe poseer un sólido conocimiento de los factores que afectan a una combustión eficiente. La Cámara de Combustión Hilton permite examinar diversos aspectos de la combustión y de la operación de un quemador mediante el uso de quemadores similares a los que se utilizan comercialmente. Con un quemador apropiado se pueden quemar aceites ligeros o gas. La unidad viene montada en un armazón, con todos los instrumentos necesarios, y se alimenta de agua de la red y el combustible escogido. La siguiente experiencia fija los siguientes objetivos. 

Establecer el balance térmico durante la combustión de un combustible en un sistema abierto (Diagrama Sankey).



Realizar las curvas % CO2, % CO, % O2 vs r a/c a/c


II.


FUNDAMENTO TEÓRICO Reactivos: Son las sustancias que ingresan a la combustión, como el combustible y el carburante (es la sustancia que provoca la combustión o la activa).

Productos: Son las sustancias que resultan del proceso de combustión. Combustión completa: Es aquella en la que todos los elementos oxidantes del combustible se oxida completamente. CxHy + a (O2 + 3.76 N2)

bCO2 + cN2 + d H2O

Combustión incompleta: Es aquella que en sus productos hay Elementos o sustancias combustibles como CO. La mayoría de los procesos reales de combustión son de combustión incompleta. CxHy + a (O2 + 3.76 N2)

Relación

bCO2 + cO2 + dCO + eN2 + fH2O

estequiométrico: Cantidad mínima de aire para la

combustión completa de la unidad de masa o volumen de combustible

Relación aire-combustible: Es el cociente entre la masa de aire y la masa de combustible utilizado en la combustión. r a / c 

maire mcombustibl e

Mezcla rica: Es la que contiene una cantidad de aire menor que la estequiométrica.

Mezcla pobre: Es aquella que contiene una cantidad de aire mayor que la estequeométrica o que en términos relativos es pobre en combustible.



Porcentaje de exceso de aire: %exceso _ de _ aire  (

( ra / c ) real (ra / c) teórica

 1) *100 %

Balance térmico El calor liberado por el combustible al quemarse en la Cámara Hilton, será cedido a:      

Calor cedido al agua de refrigeración que circula por la camiseta de la cámara. Calor cedido a los gases de escape que se van por la chimenea Calor cedido al agua formada durante el proceso de combustión. Calor dejado de recibir a causa de una combustión incompleta. Calor cedido por calentamiento de la humedad del ambiente. Calor que se pierde por radiación, convección y otras pérdidas no valuables.

Datos a tomar: o o o o o o o o

Relación aire combustible. Temperatura de ingreso del aire ( C). Temperatura de ingreso del agua ( C). Temperatura de salida del agua ( C). Temperatura de los gases ( C). Flujo de masa de agua (kg/hr). Flujo de masa de combustible (kg/hr). Flujo de masa de aire (kg/hr).


III.


EQUIPOS E INSTRUMENTOS: 

Quemador: Puede ser utilizado en forma independiente con gas, Diésel o una combinación de ambos.



Cámara de combustión constituida por: 1. Cámara refractaria. 2. Cámara de combustión. 3. Chimenea. 4. Visores. 5. Orificio del tubo muestreador. 6. Bujía de ignición.





Ventilador centrífugo.



Sistema de combustión: 1. Circuito de combustible líquido (Diésel). 2. Circuito de combustible gaseoso (propano).



Sistema de aire. Sistema de refrigeración: 1. Circuito de refrigeración de la cámara. 2. Circuito de refrigeración del tubo muestreador.





Panel de control.





Tanques de combustible.



Termómetro Digital, donde se tomaran los datos de: 1. Temperatura de ingreso del aire. 2. Temperatura de ingreso del agua. 3. Temperatura de los gases. 4. Temperatura de salida del agua.



Rotámetros


IV.

DATOS DE LA EXPERIENCIA




CÁLCUL O DE COEF I CIE NTE S DE L AS ECUACI ONES DE REACCI ÓN: Sabemos que: CxHy + a (O2 + 3.76N2) x =b+d



bCO2 + cO2 + dCO + eN2 + fH2O

2a = 2b + 2c + d + f e = 3.76 a

y = 2f

Con la ayuda del análisis de combustión en la cámara HILTON

COMBUSTIBLE: GLP

GLP

Combustible Aire - Gas T Ti Tg m (kg/h) (ºC)5/6 m (kg/h)2 (ºC)1 (ºC)2

.r a/c 13.9 15.3 16.8 18.8

Agua Te m (kg/h) (ºC)3

Ts (ºC)4

11 10 9

20 20 20

153 153 152

33 34 34

684 698 667

900 900 900

24 25 26

83 80 75

8

21

151

34

618

900

25

68

COMBUSTIBLE: DIESEL.

Diésel .r a/c 12.4 13.67 15.63 17.86

Combustible Aire – Gas Agua T Ti Te m (kg/h) (ºC)5/6 m (kg/h)2 (ºC)1 Tg(ºC)2 m (kg/h) (ºC)3 10 27 124 31 721 950 22 9 26 125 32 669 1000 22 8 25 125 32 627 970 21 7 25 125 33 591 980 21

Ts (ºC)4 77 67 65 60


V.


BALANCE TERMICO

1. CAL OR LI BERADO POR EL COMBUSTIBL E ( Q ): i

Qi = Pc KJ/Kg combustible. Donde: Pc = Poder Calorífico alto del combustible kJ/kG. 

Para el GLP:



Para el DIESEL:

GLP

49742,00

DIESEL

45640,00

2. CALOR CEDI DO AL AGUA D E REF RI GERACIÓN ( Q 1 ):

Q1 

magua mcomb

Ca Ts  Te...........KJ / Kgcomb

Donde:     

magua = Flujo de agua de refrigeración Kg/hr. mcomb = Flujo de combustible Kg/hr. Ca = Calor específico del agua = 4.18 KJ/Kg-K. Ts = Temperatura a la salida del agua °C. Te = Temperatura del agua a la entrada °C.

GLP

Q1 20178.0 20691.0 20482.0 20220.8

DIESEL

Q1 21840.5 20900.0 22300.3 22822.8



3. CAL OR CEDI DO A L OS GASES DE ESCAPE (Q ): 2

Q2  mg.CpgTg  Ta.............kJ / kgcomb Donde : mg 

4%CO2  (%CO)  700 x C 3(%CO2)  (%CO)

Donde: 

mg = Masa de los gases de escape Kg/Kg combustible.



Cpg = Calor especifico de los gases



Tg = Temperatura de salida de los gases C.



Ta = Temperatura del bulbo seco C.



C = Cantidad de C en el combustible.

( Cpg = 1.003 KJ/Kg-K)

GLP

Q2 12465.15 11691.49 11157.82 9507.37

mg 18.6843 17.1634 17.1634 15.8206

Diesel

Q2 9921.90 9837.51 9318.52 8998.72

mg 15.3095 15.7143 14.8853 15.4380



4. CALOR CEDI DO AL A GUA F ORMA DA POR LA COMB USTIÓN (Q ): 3 Q3 = 9H[Ca(Tpp - Tc) (hfg) pp + Cpv(Tg -Tpp)] KJ/Kgcomb Donde: 

9H

= Cantidad de agua formada, considerando que: 1Kg de H2 es capaz de formar 9 Kg de H2O.

      

H Tg Tc Tpp

= Cantidad de H2 en el combustible Kg H2/Kg comb. = Temperatura de los gases C. = Temperatura del combustible C. = Temperatura de saturación correspondiente a la presión parcial del vapor de agua en los gases de escape C. Ca = Calor especifico del agua = 4.18 KJ/Kg-K. Cpv = Calor especifico del vapor = 1.923 KJ/Kg-K. (hfg) pp = Entalpía de cambio de fase correspondiente a la presión parcial del vapor en los gases de escape KJ/Kg.

Además:

P pp  fn  P at fn  fn 

N º moles H 2 0 N º moles productosreaccion f b  c  d  e  f

Donde:   

GLP

Fn Pat Pp Bar.

= = =

fracción molar de H2O. Presión atmosférica en Bar. Presión parcial del vapor de H20 en los gases de escape

Q3 6102.02 6953.94 6843.46 6524.43

fn 0,1326 0,1190 0,0908 0,0798

Pp (bar) Tpp (ºC) 0.1686 56.4267 0.1783 57.6110 0.1705 57.6110 0.1705 56.6632

hfg 2366.32 2363.45 2363.45 2365.75


Diesel


Q3 6122.38 5252.03 4140.12 4062.53

fn 0,1338 0,1335 0,0842 0,0642

Pp(bar) 0.1585 0.1429 0.1137 0.1137

Tpp (ºC) 55.1300 52.9812 52.9812 48.9590

hfg 2369.47 2375.30 2375.30 2386.21

5. CALOR PERDI DO POR LA COMB USTI ÓN I NCOM PLETA (Q ): 4

Q4 

%CO %CO2  %CO

 23663 * C

Teniendo en cuenta las siguientes reacciones químicas de combustión:

Reacción:

Calor de combustión KJ/Kg.

2C + CO2 ===> 2CO 9196 KJ/Kg ===> 23663 KJ/Kg. C + O2 ---> CO2 32859 KJ/Kg

C = Cantidad de Carbono en el combustible KgC/Kgcomb.

GLP

Diesel

Q4 8027.43 4587.98 4587.98 1556.51

Q4 4374,16 1073,67 159,72 351,32



6. CALOR PERDIDO POR CALENTAM I ENTO DE LA H UM EDAD DEL AI RE (Q ): 5

Q5  M  C pv  (T g  T BS )( KJ / kg ) combustibl e

Donde:    

Cpv = 1.923 KJ/Kg- K. Tg = Temperatura de los gases C. TBS = Temperatura del bulbo seco C. M = Vapor de agua ambiental presente/Kg comb. M  W  r a / c Donde: W = Humedad especifica Kg agua/Kg aire.

Con la temperatura del bulbo seco y del bulbo húmedo del medio ambiente calculamos de tablas W. W = 0.019 Kg agua/Kg aire. Reemplazando valores tenemos:

GLP

Diesel

Q5 35.65 37.54 42.05 44.24

Q5 0.2356 0.2639 0.2969 0.3393

M 0.2643 0.2907 0.3209 0.3586

M 0,1169 0,1298 0,1461 0,1669



7. CAL OR PERDI DO POR RADI ACI ÓN, CONVECCI ON Y OTROS (Q ): 6

Q6  Qi   Qt

Q6 GLP

5.898 11.620 20.057 23.901

Q6 Diesel

6.804 10.976 13.918 13.918


VI.


CALCULOS Y RESULTADOS :

combustible

GLP

Diesel

Puntos

r a/c

(masa)

Combustible

Aire - Gas

Agua

mc (kg/h)

Tc

ma

Ta

Tg

mH2O

Te(oC)

Ts(oC)

% CO2

% O2

% CO

1

13.91

11

20

153

33

684

900

24

89

8.75

0.63

6.20

2

15.30

10

20

153

34

698

900

25

86

10.37

0.18

3.35

3

16.89

9

20

152

34

667

900

26

87

10.37

0.18

3.35

4

18.88

8

21

151

34

618

900

25

83

12.25

0.10

1.10

1

12.40

10

27

124

31

721

950

22

77

13.15

0.00

0.88

2

13.89

9

26

125

32

669

1000

22

67

14.14

0.17

0.35

3

15.63

8

25

125

32

627

970

21

65

14.14

0.17

0.35

4

17.86

7

25

125

33

591

980

21

60

14.20

1.72

0.16



RESULTADOS EN %

combustible

GLP

D-1

Puntos

% Q1

% Q2

% Q3

% Q4

% Q5

% Q6

1

40.565

25.060

12.267

16.138

0.072

5.898

2

41.597

23.504

13.980

9.224

0.075

11.620

3

41.176

22.431

13.117

3.129

0.089

20.057

4

40.651

19.113

13.117

3.129

0.089

23.901

1

52.021

23.633

14.583

2.897

0.063

6.804

2

53.116

22.195

12.510

1.145

0.058

10.976

3

54.361

21.434

9.676

0.548

0.064

13.918

4

54.361

21.434

9.676

0.548

0.064

13.918



VI. GRAFICOS:

Gases de escape vs. r a/c [GLP] 12.00

%CO2

10.00

e p a c s e e d s e s a G

8.00

%CO

6.00

4.00

%O2

2.00

0.00 13.5

14.5

15.5

16.5

r a/c

17.5

18.5

19.5



Gases de escape vs. r a/c [Diesel] 16.00

%CO2 14.00 12.00 e p10.00 a c s e e d 8.00 s e s a G

6.00

%O2

4.00

%CO

2.00 0.00 12.0

13.0

14.0

15.0

16.0

r a/c

17.0

18.0

19.0



Porcentaje de calor vs. r a/c [GLP] 25000

%Q1 20000

r o l 15000 a c e d e j a t e c r 10000 o P

%Q2 %Q4 %Q3

5000

%Q6 %Q5

0 13.0

14.0

15.0

16.0

r a/c

17.0

18.0

19.0



Porcentaje de calor vs. r a/c [Diesel]

%Q1

20000

15000

r o l a c e d e j a t e 10000 c r o P

%Q2

%Q6

5000

%Q3

%Q4 %Q5

0 12.0

13.0

14.0

15.0

r a/c

16.0

17.0

18.0



Diagrama de Sankey

CALOR CEDIDO AL AGUA DE REFRIGERACIÓN 36.13 %

CALOR CEDIDO AL AGUA DE REFRIGERACIÓN 36.13 %

Diagrama de Sankey Kerosene r a/c = 13.2

CALOR CEDIDO A LOS GASES DE ESCAPE 18.25%

Diagrama de Sankey Kerosene r a/c = 14.66

CALOR CEDIDO A LOS GASES DE ESCAPE 18.81%

CALOR PERDIDO POR RADIACION 32.11%

CALOR CEDIDO AL AGUA FORMADA POR LA COMBUSTION 7.78%

CALOR CEDIDO AL AGUA FORMADA POR LA COMBUSTION 7.99%

CALOR PERDIDO POR RADIACION 35.24%

CALOR PERDIDO POR COMBUSTION INCOMPLETA

CALO PERDIDO POR COMBUSTION INCOMPLETA 1.44%

CALOR PERDIDO POR CALENT. DE HUMEDAD DE AIRE 0.55%

CALOR PERDIDO POR CALENT. DE HUMEDAD DE AIRE 0.579%


VII.


OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES



El agua de refrigeración se lleva la mayor cantidad de energía liberado por el combustible. Llegando a poco más del 40.0% de este.



En el caso de la combustión del Diesel, se aprecia que a mayor ra/c el calor perdido Q4 por combustión incompleta, disminuye, esto es debido a que mayor ra/c, el aire en exceso enfría menos el combustible, cosa que es favorable para la combustión completa. Pero debe de asegurar materiales más resistentes al a temperaturas elevadas.



El calor Q6 perdido por radiación, convención y otros, es proporcional a la temperatura de los gases de escape, ya que a mayor temperatura de estos, se espera que la temperatura de la cámara sea mayor; esto se manifiesta mejor por los resultados de la combustión del GLP.



Para un análisis más completo, la toma de datos del laboratorio se debió de realizar con un medidor de gas ORZAT para contrastar los datos, pero no fue así, es por ello que la relación de CO 2, CO y O2 se escogió de la tabla indicada en el informe según la relación aire combustible en la Cámara Hilton.



Al analizar las gráficas se observa que a medida que aumentaba la relación aire combustible el CO disminuye y el CO 2 aumenta.



No pudimos realizar los cálculos de la Mezcla, debido a que no poseíamos las curvas de dicha mezcla, además era necesario realizar el análisis ORSAT.

Informe Camara Hilton

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