Download - Laboratorio N_ 04 (Camara Hilton) (2)
El presente informe es dedicado
a nuestros padres, cuyo esfuerzo
hacen posible la realización de
nuestros estudios.
CAPITULO I
1.1.-INTRODUCCIÓN
El laboratorio de cámara de combustión Hilton, permite a los estudiantes investigar
algunos aspectos de la combustión y operaciones de quemado utilizando quemadores
típicamente de uso comercial. Los aceites o el gas ligeros se pueden quemar usando el
quemador apropiado en que las unidades son especificadas. Al ser montado
completamente, requieren solamente agua que se enfría convencionalmente, una
fuente eléctrica monofásica y el combustible elegido apropiadamente. Pues un propósito
para la cual se construyó la unidad del calentamiento fue diseñado para la operación
supervisada del estudiante incluyendo varias características de seguridad. Un mando
sostiene el analizador digital del gas provisto que permite que el contenido oxigeno así
como la del humo sea determinado y ésta alternadamente permite el cálculo del
cociente, del aire de sus excesos y de la eficacia aire/combustible de la combustión.
Para los estudiantes avanzados o para la investigación, un analizador alto del gas de la
especificación opcional que está disponible permite la investigación del CO, de NO y de
la SO2 en adición al análisis estándar .La unidad será de interés amplio a todo el ésas
referidas a la combustión de combustibles y de la conservación de la energía, tanto para
el técnico del mantenimiento de los quemadores como para los ingenieros de la
investigación y de prueba.
A pesar de la contribución de las fuentes de energía renovables nuclear, hidroeléctrica,
solar, eólica y demás, la mayor parte de la energía sigue derivándose de la combustión
de hidrocarburos.
Estos combustibles tienen un límite de existencia y es de vital importancia que se usen
eficientemente para conservar los recursos y reducir la polución. Una comprensión
adecuada de los factores que afectan la combustión eficiente de los combustibles es por
lo tanto esencial para toda persona involucrada en el estudio del uso de la energía.
El Grupo.
1.2.-OBJETIVOS
Hacer un análisis del comportamiento de la combustión.
Encontrar la mejor relación de aire combustible.
Conocer la distribución del calor generado por el combustible.
Aprender las técnicas para encontrar las distintas perdidas de calor (balance térmico).
CAPITULO II
2.-FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1.- Combustión
Es una reacción química de oxidación de los hidrocarburos. Para que se de la
combustión debe existir:
Combustible (kerosene, GLP, etc.)
Comburente.
Temperatura inicial apropiada para iniciar la combustible.
2.2.- Proceso de Combustión
Hay que considerar algunas cuestiones previas
Ecuación de reacción
Es la expresión cuantitativa de las sustancias que intervienen en la reacción
Balanceo de ecuaciones
Usando la base molar o volumétrica
Combustión completa
Es la combustión cuyos productos no se encuentra el monóxido de carbono (CO).
Combustión incompleta
Es aquella cuyos productos se encuentra el monóxido de carbono (CO). La
combustión incompleta se debe a tres causas:
Insuficiencia de Oxígeno.
Mezcla imperfecta entre el Oxígeno y el combustible.
Temperatura demasiado baja para mantener la combustión.
Comburente
El oxígeno necesario en la combustión lo pone el aire. El aire atmosférico está
compuesto por: (composición en volumen)
N2 → 78%
O2 → 21%
Otros → 1%
Por razones prácticas se considera que se tiene: N2 → 79% , O2 → 21%
Así por cada Kmol de O2 se tiene: 79/21 =3.76 Kmol de N2
Aire estequiométrico
Es la cantidad de aire estrictamente necesario para la combustión completa.
Relación Aire – Combustible
Es la razón teórica entre masa (o moles) de aire teórico y la masa (o moles) de
combustible.
ra /c=
maire
mcomb
Kg - aireKg - combustible
2.3.- Poder calorífico
Es la máxima cantidad de calor que puede transferirse de los productos de la
combustión completa, cuando estos son enfriados hasta la temperatura de los
reactantes y se expresa KJ / Kg.comb
Poder calorífico alto
Es el que se obtiene cuando el vapor de agua formado durante la combustión se
condensa totalmente, al enfriarse los productos hasta la temperatura de los productos
Poder calorífico bajo
Es el que se obtiene cuando el vapor de agua no se condensa al enfriarse los
productos hasta la temperatura de los reactantes.
2.4.-VOLUMEN DE AIRE MÍNIMO POR kg DE COMBUSTIBLE
Existen fórmulas empíricas que permiten calcular el volumen de aire necesario por kg de
combustible, en función de la potencia calorífica inferior Pci del mismo.
Para los combustibles sólidos: V aire min=(1 . 01P1
1000+0 . 5)⋅m3
kg
Para los combustibles líquidos: V aire min=( 0.85 P1
1000 )⋅m3
kg
La cantidad de aire determinada en estos casos, es la cantidad estricta mínima de aire
necesaria (condición estequiométrica), para que se verifique la combustión total. En la práctica
es preciso tomar una cantidad mayor que la teórica, para que la combustión sea lo más
perfecta posible.
CAPITULO III
3.-EQUIPOS UTILIZADOS
Para la toma de medidas se tendrán en cuenta en este laboratorio los siguientes equipos a utilizar:
CÁMARA HILTON:
Continuos Combustion Unit
Serial Nº 4923
P.A. Hilton LTD. ENGINEERS
SOUTHAMPTON AIRPORT ENGLAND
Fig.1 Cámara Hilton
VENTILADOR CENTRÍFUGO:
B y C: tipo Y3/100 de tres etapas
Marca TORNADO
No. de serie: 899799/1
Capacidad: 136 Kg/hr a 570mm de H2O
Con motor eléctrico No. 02041 – 890051
220V - 3Ø – 60 Hz – 13.5 Amp. – 5 Hp
3400 RPM
Fig.2 Ventilador centrifugo
TERMOCUPLAS: Que medirá las temperaturas en el panel digital.
Fig.3 Termocuplas
MEDIDORES DE FLUJO DE MASA: Aire, combustible y agua.
Fig4 Medidor de flujo
TANQUE DE COMBUSTIBLE: Combustible a utilizar Diesel 1 (Kerosene).
Fig.5 Tanque de combustible
ACCESORIOS: Tuberías, placa orificio, etc.
Fig.6 Accesorios (tuberías, placa, orificios)
3.1.- ESQUEMA DE INSTLACION
Fig.7 Esquema de instalación de la cámara Hilton
-
CAPITULO IV
PROCEDIMIENTO PARA LA EXPERIENCIA
1.- Se enciende la unidad de acuerdo a las instrucciones.
2.- Se escoge un flujo de combustible . Se recomienda que sea de 7 Kg/hr.
3.- Para el primer balance se recomienda un flujo de aire de 104 Kg/hr. Para tener
un pequeño exceso de aire con una relación de aire combustible cercana a la
estequiométrica (ra/c =14.7).
4.- El flujo de agua debe ser tal, que la temperatura de salida de agua sea
aproximadamente 80° C.
5.- Para estas condiciones se toman todas las lecturas que se indican en la tabla de
datos.
6.-Manteniendo a el flujo de combustible constante (7 Kg/hr), se toman dos
lecturas mas, variando el flujo de aire, se recomienda un flujo de aire de 120
Kg/hr de aire (ra/c = 17) y un flujo de 135 Kg/hr de aire (ra/c = 19).
CAPITULO V
5.1. Datos
- Combustible, aire gas, agua
pto r a/c Mc Tc Ma T aireTgas
esṁ
H20Te
entr Ts sal CO2 O2 CO N2
n° kg/hr °C kg/hr °C °C kg/hr °C °C % % % %
1 12.273 11 21 135 34 733 1052 25 82 10 0.3 4.2 85.5
GLP2 12.981 10.4 21 135 35 702 1060 26 81 11 0.2 3 85.8
3 14.211 9.5 21 135 35 668 1060 26 76 12.5 0.2 1 86.3
4 16.071 8.4 21 135 35 626 1050 26 72 13.7 0.5 0.1 85.7
1 12.6 10 29 126 35 597 1050 26 69 13.2 0 1.2 85.6
DIESEL 2
2 14.111 9 30 127 36 578 1050 26 65 14.4 0 0.4 85.2
3 15.875 8 30 127 36 542 1050 26 61 14.2 1.8 0.2 83.8
5.2. Cálculos
I) Cálculos previos, para un punto cualquiera
Ejemplo:
Trabajando con propano
Determinación de la relación aire combustible
ra /c=maire
mcomb
ra /c=135kg /h11kg /h
=12 . 27kg−a
kg−comb
Determinación de los gases de escape en su composición
De la gráfica análisis de gases de escape
Para ra/c = 12.27
%CO 2=10.12%CO=4 .31%O2=0 .35
Nota: De la gráfica se obtienen los resultados en seco, o sea que la diferencia para
que alcance el 100% de los productos corresponde al %N2. El H2O se obtiene
balanceando la reacción química.
Balanceando la reacción química
C14 . 43 H 40 .15+22 .766 (O2+3 .76 N 2)→10 .12CO2+4 .31CO+0.35O2+20 .07 H2O+85 . 22N2
Cantidad de carbón e hidrogeno en el combustible
C=12×X12×X+1×Y
C=12×14 . 4312×14 . 43+1×40. 15
=0 .811kgC
kgcomb
H= 1×Y12×X+1×Y
H= 1×40 . 1512×14 . 43+1×40 .15
=0 . 1887kgH
kgcomb
II) Balance térmico
Calor cedido al agua de refrigeración
Q 1=magua
mcomb
×Ca×(Tsal−Tent )
Ca=4 .18 kJ /kg−K, calor especifico del agua.
Calor cedido a los gases de escape
m g=4×(%CO 2 )+(%O2 )+700
3×(%CO 2+%CO )×C
,
m g : Masa de gases de escape kg/kg_comb
Q 2=m g×Cpg× (Tg−Taire ),
Cpg=1 .003 kJ /kg−K, Calor especifico de los gases
Calor cedido al agua formada por la combustión
PPH 2O=%H 2O
100+%H 2O×Patm→PPH 2 O=
20 . 07100+20 . 07
×1bar=0 . 167bar
De tablas termodinámicas para líquido saturado a 0.167bar
Tsat = 56.41 °C hfg = 2367.18 kJ/kg°C
Q 3=9H×[4 . 18× (Tsat−Tcom )+hfg+1 . 932×(Tg−Tsat ) ]
Donde:
9H: cantidad de agua formada, considerando que: 1kg de H2 es formar 9 kg de H2O.
Calor perdido por combustión incompleta
Q 4=% CO% CO2+%CO
×23663×C
Calor perdido por calentamiento de la humedad del aire
TBS = 12 °C TBH = 61°F
w = 0.01 kg vapor / kg aire
Q 5=w×ra/c×Cpv×(Tg−TBS )
Calor perdido por radiación, convección y otros
PCPROPANO=50264.5 kJ/kg comb
Q 6=PC−∑i=1
5
Qi
5.3. ANALISIS DE LOS RESULTADOS
5.3.1.TABLAS: TABLA N°1
- Calculo de coeficientes de las ecuaciones de reacción
FORMULA GENERAL
CxHy +a(O
₂
+3.76N
₂
) → b(CO
₂
) + c(O
₂
) + d(CO) + e(N
₂
) + f(H
₂
O)
PROPANO
b c d e a f x y
10 0.3 4.2 85.5 22.739 20.6787 14.2 41.357
11 0.2 3 85.8 22.8191 20.2382 14 40.476
12.5 0.2 1 86.3 22.9521 19.5042 13.5 39.008
13.7 0.5 0.1 85.7 22.7925 17.0851 13.8 34.17
FORMULA GENERAL
CxHy +a(O
₂
+3.76N
₂
) → b(CO
₂
) + c(O
₂
) + d(CO) + e(N
₂
) + f(H
₂
O)
DIESEL
b c d e a f x y
13.2 0 1.2 85.6 22.76 17.93 14.4 35.863
14.4 0 0.4 85.2 22.659 16.11 14.8 32.238
14.2 1.8 0.2 83.8 22.287 12.374 14.4 24.748
TABLA N°2
- Calculo de las relaciones de aire/comb con los coef. de la reacción y
de los datos de laboratorio, así como la cantidad de carbono e
hidrogeno en el combustible
PROPANO
r (a/c)t = 15.6%exceso
de%exceso
de
r (a/c)rC(kg C/kg
Comb)H (kg H/kg
Comb)aire
R a/c (lab)
aire (lab)
14.7416 0.804 0.1953 -5.502 12.272 -21.33
15.026 0.8058 0.194 -3.678 12.98 -16.794
15.675 0.805 0.194 0.482 14.21 -8.91
15.662 0.828 0.171 0.402 16.071 3.019
DIESEL
r (a/c)t = 14.7 %exceso de %exceso de
r (a/c)r C(kg C/kg Comb)H (kg H/kg
Comb)aire
R a/c (lab)
aire (lab)
14.977 0.828 0.1718 1.829 12.6 -14.28
14.82 0.846 0.1536 0.786 14.11 -4.006
15.48 0.874 0.125 5.297 15.875 7.993
TABLA N°3
-Calor liberado por: CALOR CEDIDO AL AGUA DE REFRIGERACION
PROPANO
N° ṁ (kg/h) mc (kg/h) T ent T sal Q1 (kj/kg Comb)
1 1052 11 25 82 22786.32
2 1060 10.4 26 81 23432.11538
3 1060 9.5 26 76 23320
4 1050 8.4 26 72 24035
DIESEL
N° ṁ (kg/h) mc (kg/h) T ent T sal Q1 (kj/kg Comb)
1 1050 10 26 69 18872.7
2 1050 9 26 65 19019
3 1050 8 26 61 19201.875
TABLA N°4
- CALOR CEDIDO A LOS GASES DE ESCAPE
PROPANO
N° Tgas escap mg TBS C(kg C/kg Comb) Q2 (kJ/kg Comb)
1 733 13.9718 23 0.804 9949.78
2 702 14.278 23 0.8058 9723.852
3 668 14.9113 23 0.805 9646.695
4 626 15.106 23 0.828 9136.244
DIESEL
N° Tgas escap mg TBS C(kg C/kg Comb) Q2 (kJ/kg Comb)
1 597 14.43 23 0.828 8308.16
2 578 14.441 23 0.846 8039.13
3 542 15.36 23 0.874 7995.88
TABLA N°5
-CALOR CEDIDO AL AGUA FORMADA POR LA COMBUSTION
PROPANO
N° H (kg H/kg Comb) Tpp Tc hfgp.p. Tgas escape Pres Parc(kpa) Q3
1 0.1953 56.846 21 2366.014 733 17.362 6707.55
2 0.194 56.471 21 2366.938 702 17.054 6558.95
3 0.194 55.842 21 2368.489 668 16.537 6445.024
4 0.171 53.619 21 2373.9471 626 14.785 5557.303
DIESEL
N° H (kg H/kg Comb) Tpp Tc hfgp.p. Tgas escape Pres Parc(kpa) Q3
1 0.171 54.457 29 2371.9 597 15.4067 5447.466
2 0.153 52.444 30 2376.78 578 14.065 4813.537
3 0.125 47.6993 30 2388.23 542 11.157 3847.958
TABLA N°6
-CALOR PERDIDO POR COMBUSTION INCOMPLETA
PROPANO
N° %CO/(%CO+%CO2) C(kg C/kg Comb) Q4
1 0.295774648 0.804 5627.1281
2 0.214285714 0.8058 4085.924
3 0.074074074 0.805 1411.0159
4 0.007246377 0.828 141.978
DIESEL
N° %CO/(%CO+%CO2) C(kg C/kg Comb) Q4 KJ/kg Comb
1 0.083 0.828 1632.99
2 0.027 0.846 541.28
3 0.0138 0.874 287.47
TABLA N°7
-CALOR PERDIDO POR CALENTAMIENTO DE LA HUMEDAD DEL AIRE
PROPANO
N° T gas escape kg agua/ kg aire R a/c M TBS Q5 kJ/kg Comb
1 733 0.019 12.272 0.233 23 318.37
2 702 0.019 12.98 0.2466 23 322.035
3 668 0.019 14.21 0.27 23 334.89
4 626 0.019 16.071 0.3053 23 354.082
DIESEL
N° T gas escape kg agua/ kg aire R a/c M TBS Q5 kJ/kg Comb
1 597 0.019 12.6 0.2394 23 264.25
2 578 0.019 14.11 0.268 23 286.14
3 542 0.019 15.875 0.301 23 301.032
TABLA N°8
-CALOR PERDIDO POR RADIACION, CONVECCION Y OTROS
PROPANO
N° QL Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 KJ/Kg Comb
1 50264.5 22786.32 9949.78 6707.552 5627.128 318.37 4875.34
2 50264.5 23432.115 9723.85 6558.955 4085.924 322.035 6141.61
3 50264.5 23320 9646.69 6445.024 1411.0159 334.89 9106.87
4 50264.5 24035 9136.24 5557.303 141.978 354.082 11039.89
DIESEL
N° QL Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 KJ/Kg Comb
1 46276.2 18872.7 8308.167 5447.466 1632.99 264.25 11750.61
2 46276.2 19019 8039.131 4813.537 541.28 286.145 13577.1
3 46276.2 19201.87 7995.882 3847.958 287.47 301.032 14641.97
TABLA N°9
-TABLA DE RESULTADOS
combust. punto R a/c %exc aireQ
liberado %Q1 %Q2 %Q3 %Q4 %Q5 %Q6
1 12.272 -5.502 45.33283 19.79485 13.34451 11.19503 0.63339 9.699388
2 12.98 -3.678 50264.5 46.61762 19.34537 13.04888 8.128846 0.640681 12.2186
Propano 3 14.21 0.482 46.39457 19.19187 12.82222 2.807182 0.666256 18.1179
4 16.071 0.402 47.81705 18.17634 11.05612 0.282462 354.0826 21.96359
1 12.6 1.8299 40.78273 17.95342 11.77163 3.528801 0.571028 25.39247
Diesel 2 14.111 0.786 46276.23 41.09888 17.37205 10.40175 1.169683 0.618343 29.3394
3 15.875 5.2975 41.49406 17.2786 8.315194 0.621224 0.650513 31.64053
5.4. GRAFICOS
- %CO2 VS R a/c - PROPANO
10 11 12 13 14 15 16 170
6
12
18
Grafico N°1
- %O2 vs R a/c - PROPANO
10 11 12 13 14 15 16 170
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Grafico N°2
- %CO VS R a/c - PROPANO
10 11 12 13 14 15 16 170
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Grafico N°3
- %CO2 VS R a/c – DIESEL
12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.512.5
13
13.5
14
14.5
Grafico N° 4
- %O2 vs R a/c – PROPANO
12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.50
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Grafico N°5
- %CO VS R a/c – PROPANO
12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 160
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Grafico N°6
CAPITULO VI
6.1. CONCLUSIONES
Al realizar los cálculos y obtener “x” e “y” de la formula química para el combustible
(CxHy), se obtuvo valores diferentes para diferentes valores de relación aire combustible,
esto se debe posiblemente a que la mezcla no es homogénea.
De los cálculos se observa que de todos los calores, el calor útil es el mayor de ellos, que
viene dado por el calor cedido al agua por los gases así también se observó el menor de
todos los calculados es el calor perdido por calentamiento de la humedad. De esta manera
se evidencia que el uso de la Cámara de Combustión Hilton estaría bien aprovechado
utilizándolo para calentar el agua en un caldero, pues se estaría aprovechándose hasta el
50% de la energía que genera el combustible.
Se observa de los cálculos un comportamiento creciente del calor absorbido por el agua
conforme aumenta la relación Raire /comb , para ambos casos tanto el Diesel como el del
propano. Sin embargo no se puede empobrecer mucho la mezcla pues como se dijo una
mezcla pobre aumenta la generación de NOx.
Se observo que para ambos combustibles (PROPANO Y DIESEL) aumentan los
porcentajes de CO2 al aumentar la relación de aire – combustible, sin embargo se pudo
observar que el Diesel tiene un porcentaje ligeramente mayor.
En la mayoría de los casos, ya sea con propano o Diesel, se aprecia que la perdida de
calor por combustión incompleta se presenta en pequeños porcentajes. Esto nos indica
que en la mayoría de las relaciones aire-combustible se produjo una combustión con la
suficiente cantidad de aire para ser completa.