UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERAFACULTAD DE INGENIERA MECNICA

Laboratorio de Ingeniera Mecnica MN463-BCMARA DE COMBUSTIN CONTINUA A PRESIN CONSTANTE HILTON Integrantes Cdigo CARHUAMACA VILLENA, Jean Carlos20110225A CASTILLO ALVARADO, Luis Yordan20114062J CORILLA HINOSTROZA, Luis Alberto20101333J GALLARDO ESTEVES, Juan Carlos20114032C HUARI ESTELO, Gian Pier Fernando20102146I MACEDO MAMANI, Andrea Mnica20114163K MALCA QUISPE, Joseph Roy20110175D RIVERA TORRES, Jorge Yampier20114131A TURPO MANSILLA, Luis Miguel20110045K

Docente:Ing. Eliseo Paez Apolinario Ciclo:2014-I

CAPITULO I

RESUMEN TCNICO

El ensayo realizado en la cmara de combustin Hilton es el tema principal y la razn de ser del presente informe. Dicho ensayo est constituido por dos partes, las cuales son: el anlisis usando como combustible GLP, y empleando Kerosene. Adems, esta experiencia tiene por objeto realizar el balance trmico de este, as como analizar su desempeo.

La metodologa empleada en el desarrollo de la experiencia consta en medir el flujo msico del aire, flujo msico del combustible y del agua, as como sus respectivas temperaturas, adems la temperatura de los gases de escape. Los resultados obtenidos estn ntimamente vinculados al desarrollo de la ecuacin de la reaccin de combustin, por lo que cualquier yerro u omisin en esta ecuacin afectara crticamente estos. El grupo.

INTRODUCCINLa necesidad del hombre de utilizar la energa del medio que lo rodea, con el fin de mejorar su modo de vida, lo obliga a transformar todo tipo de energa aprovechable, as pues es el caso de la energa qumica que poseen los combustibles. Sin embargo, para transformar cualquier tipo de energa en otra ms conveniente para una aplicacin determinada, es menester contar con un dispositivo que sea capaz de realizar la transformacin antedicha, siendo este dispositivo conocido como Mquina.Este es, tambin, el caso de la cmara de combustin continua a presin constante Hilton, cuyo fin primario es convertir la energa generada por la combustin, en energa calorfica de un determinado combustible. De la termodinmica clsica tenemos conocimiento de que cualquier cambio de estado de un fluido de trabajo que opera en una mquina trmica, es ocasionado por la accin del calor, del trabajo o de ambos. Como toda mquina, la cmara de combustin Hilton tambin presenta prdidas, que son generalmente debidas a la transferencia de calor con el ambiente, entre otras.

OBJETIVOS

Realizar el balance trmico del combustible empleado en el laboratorio.

Determinar las diferencias entre la combustin del GLP y Kerosene.

CAPITULO II

FUNDAMENTO TERICO2.1. Generalidades.El rango de uso de la unidad de instruccin HILTON es extenso, desde una prueba simple pero efectiva para operarios de caldero, hasta desarrollo de proyectos e investigaciones.2.2. Descripcin La Cmara de combustin Hilton, es una cmara de combustin a presin constante.Partes constitutivas de la unidad: Quemador: puede ser utilizado en forma independiente con gas, kerosn o con combinacin de ambos. Cmara de combustin: constituido por. 1.- Cmara Refractaria. 2.- Cmara de Combustin. 3.- Chimenea. 4.- Siete Visores. 5.- Orificio para el tubo muestreador. 6.- Buja de Ignicin. Ventilador Centrfugo

Sistema de Combustible 1.- Circuito de Combustible lquido (Kerosn). 2.- Circuito de Combustible Gaseoso (GLP). Sistema de Aire Sistemas de Agua1- Circuito de Refrigeracin de la Cmara.2- Circuitos de Refrigeracin del tubo muestreador. Panel de Control

2.3. ESPECIFICAIONES QUEMADOR Schieldron N.3 Patente Britnica 789961 N de serie: 1861G Quemador de Combustin preparado para operar con combustibles lquidos y gaseosos. Tiene un diseo especial para mantener la relacin Aire-Combustible.

VENTILADOR B y C: Tipo y3/100 de tres etapas Marca: TORNADO Capacidad: 136 Kg/hr. A570 mm de H2O Con motor elctrico. N 02041_ 890051 220v- 3- 60 Hz 13.5 Amper - 5Hp 3400 RPM.

Figura N 01.-VENTILADOR CAMARA DE COMBUSTION Compuesta de:a) Cmara Refractaria.- de 12 * 11 de longitud en forma interna Cnica de 5 a 1 con recubrimiento de lana de vidrio de 1 y chapa metlica exterior y provista de una buja de ignicin elctrica.b) Cmara de Combustin.- constituida por dos cilindros concntricos de acero inoxidable entre los cuales circula agua. El casco interior de 18 y el exterior de 20 .c) Tiene tambin siete mirillas de vidrio, una al frente de 1 de y seis ubicadas a los costados tres y tres, de 2 . Adems dispone de un orificio con un tomador de muestra de gases refrigerado por agua.

Figura N 02.-Cmara de combustin Hilton.CONTROLESa.- Control manual de aire y combustible que mantiene la relacin en 5 a 1.b.- Vlvula para regular el flujo de aire en la descarga del ventilador.c.- Vlvula de regulacin de flujo de combustible lquido.d.- Vlvula reductora de presin del gas con presin de salida regulable.e.- Vlvula de regulacin de flujo de combustible.f.- Vlvula para regular el flujo de agua de refrigeracin.g.- Vlvula para controlar el flujo de agua del tomador de muestras.

Figura N 03.- Esquema de la Cmara de combustin Hilton

CAPITULO III

EQUIPOS E INSTRUMENTOS3.1. Cmara Hilton

Figura N 4.- CAMARA HILTON3.2. Ventilador

Figura N 5.-VENTILADOR3.3. Protector auditivo.

Figura N 6.-OREJERAS

CAPITULO IV

PROCEDIMIENTO4.1 REVISIONES ANTES DE OPERAR:1. Drenar el condensado de la cmara, sacando el tapn ubicado en la parte inferior.2. Asegurar de que haya suficiente combustible (gas y/o lquido) para el experimento programado.3. Ajustar los tornillos reguladores de nivel, de tal forma que los medidores del flujo de aire y de la presin de gas en la tubera marquen cero.4. Chequear que la operacin de salida del gas sea aproximadamente 120mm de H2O, de no tener esta presin se procede a regularla mediante la vlvula reductora de presin (vlvula tipo diafragma).5. Verificar el suministro de agua a la cmara y al tomador de muestra. Se recomienda un flujo inicial de agua 1000 Kg/hr.6. Con la vlvula de control de aire cerrada (posicin N1 en la escala), arrancar el ventilador hasta que alcance su velocidad de rgimen. Abrir lentamente la vlvula de control de aire y dejarla totalmente abierta (Posicin N 8) durante un lapso de dos minutos de tal forma de desalojar posibles gases residuales de experiencias anteriores.7. Chequear que la buja de encendido este en la posicin correcta y se produzca a chispa (de ocurrir esto llamara al tcnico).

4.2 PROCEDIMIENTO DE ENCENDIDO (Encendido con Gas GLP)1.- Verificar todos los pasos correspondientes a la seccin antes de operar.2.- Regular el flujo de agua a 1000Kg/hr.3.- Abrir el agua de refrigeracin para el tubo muestrador.4.- Regular el flujo de aire a 135Kg/hr.5.- Se oprime el botn de ignicin a la vez se abre la vlvula de control de Gas (situada en el panel) en forma lenta hasta conseguir el encendido. La vlvula de control se ha de abrir hasta que se obtenga una combustin 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 ms de flujo de gas, tan solo para encenderlo y una vez estabilizada la combustin mantener el flujo a 9Kg/hr.6.- Se procede luego a retirar la buja y colocar el tapn en la lumbrera de ignicin.4.1.3.OPERACIN CON COMBUSTIBLE LQUIDO (Kerosene)1.- Se realizan todos los pasos de la seccin de encendido por gas, con lo que tendremos una combustin estable.2.- Se abre la vlvula general de combustible (Kerosn) situada en la tubera de suministro.3.- Se abre la vlvula de control de Kerosn (situada en el panel) en forma lenta y en forma simultnea se va cerrando la vlvula de control de gas (tambin en el panel) cuidando que la combustin no se interrumpa.La vlvula de control de Kerosn se ha de abrir hasta lograr una combustin estable, lo cual se consigue con un flujo aproximado de 10 Kg/hr de Kerosn.

Conseguida la combustin este flujo se reduce a 7Kg/hr.4.- Si la combustin se interrumpe, cerrar inmediatamente las vlvulas 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 PARADA1.- Cerrar la vlvula de combustible del panel.2.- Cerrar las vlvulas de suministro en la tubera principal.3.- Dejar funcionar el ventilador por dos minutos para la cmara, cuidando que la palanca de control de flujo de aire est colocada en la posicin 8.4.- Parar el ventilador y luego colocar la palanca de control de flujo de aire en la posicin 1.5.- Cortar el suministro elctrico.6.- Dejar correr el agua de refrigeracin por espacio de 5 minutos y luego cerrar la vlvula.

CAPITULO V

3. 4. 5. CLCULOS Y RESULTADOSI) Anlisis de gases:DatosCombustibleAire GasAguaORSAT

mC (Kg/hr)TC (C)ma (Kg/hr)Ta (C)Tg (C)m (Kg/hr)Te (C)Ts (C)%CO2 (b)%O2 (c)%CO (d) ra/c

GLP1120148346791000278211,3500,0532,34013,455

10,220148356941000278412,7200,1050,90514,510

9,321148356681000268113,7220,4530,05315,914

8,121148356311000267612,3902,3040,21118,272

El analizador ORSAT nos permite conocer el ,,(d) y por diferencia tambin el , es decir las concentraciones de los gases de escape producto de la combustin. En nuestro caso no contamos con dicho instrumento por lo que recurrimos al grfico proporcionado en la gua de Laboratorio elaborado experimentalmente, referido a la cmara Hilton. Este grfico se presenta en la pgina siguiente.

Determinacin de la Relacin Aire-Combustible (real):

Realizando el balance de moles tendremos:

Con ello la relacin Aire Combustible real se calcula como:

+++++

xyaBcdefr(a/c)r

GLP13,69041,47222,94111,3500,0532,34086,25720,73615,306

13,62538,66422,94412,7200,1050,90586,26919,33215,580

13,77534,44322,81213,7220,4530,05385,77217,22115,678

12,60131,32922,63212,3902,3040,21185,09515,66417,021

Determinacin de la relacin aire-combustible real:

Determinacin de la relacin aire-combustible terico:

++ +

xyabcdr(a/c)t

GLP13,69041,47224,05813,69090,45920,73616,052

13,62538,66423,29113,62587,57519,33215,816

13,77534,44322,38613,77584,17017,22115,385

12,60131,32920,43312,60176,82715,66415,367

Clculo del exceso de aire:

Clculo del Exceso de Aire:

Clculo de la cantidad de Carbono e Hidrgeno en el combustible:

r(a/c)tr(a/c)r% Exceso de aireC (Kg carbono/ Kg comb.)H (Kg hidrgeno/Kg comb.)

GLP116,05215,306-4,6450,7980,202

215,81615,580-1,4910,8090,191

315,38515,6781,9030,8280,172

415,36717,02110,7620,8280,172

II) Balance Trmico:

1) Calor liberado por el combustible ():

Donde:

2) Calor cedido al agua de refrigeracin ():

Donde:Calor cedido al agua de refrigeracin

mag (Kg/hr)mC (Kg/hr)Te (C)Ts (C)Q1 (KJ/Kg comb)

GLP100011278220900,000

100010,2278423358,824

10009,3268124720,430

10008,1267625802,469

3) Calor cedido a los gases de escape ():

Donde:Calor cedido a los gases de escape

Tg (C)mg (Kg/hr)Ta (C)C (Kg carbono/ Kg comb.)Q2 (KJ/Kg comb)

Propano67914,492340,7989375,388607

69414,859350,8099821,229991

66815,126350,8289603,648489

63116,476350,8289849,21073

4) Calor cedido al agua formada por la combustin:

Donde:

Donde:

Calor cedido al agua formada por la combustin (GLP)

H (Kg H2 / Kg comb)Tpp (C)Tc (C)hfg pp (KJ/Kg)Tg (C)Presin Parc. (KPa)Q3 (KJ/Kg comb)

0,10148,6020,002385,2467911,4353371,415

0,09647,6520,002383,9869411,0553220,843

0,08648,6421,002384,9066811,8052864,437

0,08647,5821,002382,4463111,0872792,361

5) Calor perdido por combustin incompleta ():

Calor perdido por combustin incompleta

C (Kg carbono/ Kg comb.)Q4 (KJ/Kg comb)

GLP0,1710,7983229,767

0,0660,8091271,545

0,0040,82875,345

0,0170,828327,460

6) Calor cedido por calentamiento de la humedad del aire ():

Donde:

Calor perdido por calentamiento de la humedad del aire

Tg (C)r(a/c)rMTBS (C)Q5 (KJ/Kg comb)

GLP6790,01915,3060,29118,940369,130

6940,01915,5800,29618,940384,273

6680,01915,6780,29818,940371,804

6310,01917,0210,32318,940380,633

7) Calor perdido por radiacin, conveccin y otros:

Calor perdido por radiacin, conveccin y otros

QL (KJ/Kg comb)Q1 (KJ/Kg comb)Q2 (KJ/Kg comb)Q3 (KJ/Kg comb)Q4 (KJ/Kg comb)Q5 (KJ/Kg comb)Q6 (KJ/Kg comb)

GLP50264,520900,0009375,3893371,4153229,767369,13013018,799

50264,523358,8249821,2303220,8431271,545384,27312207,786

50264,524720,4309603,6482864,43775,345371,80412628,835

50264,525802,4699849,2112792,361327,460380,63311112,367

TABLA DE RESULTADOS

Comb.Puntor(a/c)r% Exceso de aireQL (KJ/Kg)Q1Q2Q3Q4Q5Q6

%KJ/Kg%KJ/Kg%KJ/Kg%KJ/Kg%KJ/Kg%KJ/Kg

GLP115,306-4,64550264,541,58020900,00018,6529375,3896,7073371,4156,4263229,7670,734369,13025,90113018,799

215,580-1,49150264,546,47223358,82419,5399821,2306,4083220,8432,5301271,5450,765384,27324,28712207,786

315,6781,90350264,549,18124720,43019,1069603,6485,6992864,4370,15075,3450,740371,80425,12512628,835

417,02110,76250264,551,33325802,46919,5959849,2115,5552792,3610,651327,4600,757380,63322,10811112,367

Tabla de Resultados Experimentales:

DIAGRAMA DE SANKEY

Calor Cedido al Agua de Refrigeracin 51,333 %

Calor Cedido a los gases de escape 19,595 %

Calor cedido al agua formada por la combustin 5,555 %

Calor perdido por combustin incompleta 0.651 %

Calor perdido por radiacin, conveccin y otros 22,108 %

Calor perdido por calentamiento de la humedad del aire 0,757%

Calor Liberado por el combustible 100%

OBSERVACIONES

La cmara Hilton, es un equipo que nos permite realizar mltiples ensayos de tal manera podemos conocer las condiciones ptima de uso de los combustibles.

Es necesario esperar un intervalo de dos minutos entre medicin para tomar una lectura estable.

La recopilacin de los parmetros resulta directa debido a los equipos de medicin ya instalados como termocuplas y fluxmetros ubicados convenientemente.

Su uso demanda una instruccin previa del operario y ceirse a los manuales de uso de dicha cmara.

En la experiencia realizada se busc hallar la relacin de aire y combustible ms ptima, para ello se emple solamente un tipo de combustible (gas Propano).

Debemos tener presente que no se cont con el Analizador Orsat, por lo que empleamos la grfica de Anlisis de Gases de escape vs. Relacin aire combustible proporcionada en la gua de laboratorio. Esto nos infiere cierto grado de imprecisin en nuestros clculos.

CONCLUSIONES En base a los datos experimentales recopilados podemos apreciar que la mayor parte de la energa calorfica producida se cede al agua de refrigeracin, en segundo lugar estn los gases de escape, despus tenemos al agua formada por la combustin como lo demuestra el diagrama Sankey empleado para analizar los datos.

Cuando se trabajaron relaciones aire-combustible menores a la terica, es decir con falta de aire se obtienen mayores prdidas referidas a los gases producto de la combustin.

La eficiencia de este caldero de ensayo oscila alrededor del 48% siendo diversas las causas de dichas prdidas, tpico de una mquina trmica.

Un factor importante resulta el comportamiento de las prdidas por radiacin y conveccin pues stas aumentan al aumentar la relacin aire-combustible contraponindose con el efecto positivo que sera este efecto en referencia a las prdidas por combustin incompleta.

El anlisis realizado nos permite identificar las prdidas energticas relevantes a fin de optimizar su rendimiento al variar la relacin aire-combustible y acercarnos a la terica para un combustible dado.

RECOMENDACIONES Recomendamos seguir adecuadamente los procedimientos para la operacin de la cmara Hilton pues los resultados dependen fundamentalmente de la graduacin inicial, pues las lecturas son directas.

Tomar los datos de forma sistemtica y ordenada.

Se recomienda esperar un lapso de 2 minutos entre cada medicin pues de esta forma obtendremos una temperatura estable.

Ensayar el combustible para relaciones aire-combustible mayores y menores pues de esta forma se apreciar el comportamiento energtico frente a excesos y defectos de aire.