CARACTERIZACIÓN TECNICA DE UN QUEMADOR EXPERIMENTAL TIPO CAÑON DE ALTA PRESIÓN LEANDRO JIMENEZ GARCIA EDWIN ELEANDRO MEJIA CARDONA (ESTUDIANTES INGENIERÍA MECÁNICA) Anteproyecto Director: JUAN ESTEBAN TIBAQUIRÁ G. FIM-UTP, Ingeniero Mecánico UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Pereira, Febrero de 2005 CARACTERIZACIÓN TECNICA DE UN QUEMADOR EXPERIMENTAL TIPO CAÑON DE ALTA PRESIÓN LEANDRO JIMENEZ GARCIA EDWIN ELEANDRO MEJIA CARDONA (ESTUDIANTES INGENIERÍA MECÁNICA) Anteproyecto UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Pereira, Febrero de 2005 ANTEPROYECTO 1. TÍTULO DEL PROYECTO Caracterización Técnica de un Quemador Experimental Tipo Cañón de Alta Presión 2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Basados en el proyecto del grupo de investigación en sistemas térmicos y potencia mecánica de la facultad de Ingeniería Mecánica “Diseño, construcción, control y pruebas de un quemador experimental tipo cañón de alta presión de ACPM, para el Laboratorio de Térmicas”, después de las fases realizadas, se hace evidente la necesidad de realizar un estudio de las características técnicas, en términos de eficiencia de combustión, calor producido, y consumo energético, para cumplir con las normatividades existentes. 3. JUSTIFICACIÓN Este proyecto de grado hace parte de una de las etapas dentro del proyecto “Diseño, construcción, control y pruebas de un quemador experimental tipo cañón de alta presión de ACPM para el Laboratorio de Térmicas” del grupo de investigación en Sistemas Térmicos y Potencia Mecánica. Es así como en esta nueva fase se busca llevar a cabo una caracterización técnica del quemador como un paso más en la determinación de parámetros de funcionamiento necesarios para el desempeño óptimo al quemar un determinado combustible. Aportando con esto nuevos elementos que sirvan como herramienta no solo al Laboratorio de Térmicas de la Facultad de Ingeniería Mecánica, sino también al sector industrial de la región que emplea este tipo de máquinas con el propósito de obtener energía eléctrica y vapor. 4. OBJETIVOS 4.1 OBJETIVO GENERAL Caracterizar técnicamente un Quemador Experimental Tipo Cañón de Alta Presión, mediante pruebas basadas en normas técnicas 4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Buscar documentación correspondiente a los quemadores comerciales y conocer los parámetros que se deben tomar para su utilización. Buscar normas técnicas, las cuales indiquen como se debe realizar los determinados procedimientos para hallar los parámetros del quemador. Diseñar las pruebas de tal forma de que se de cumplimiento a los pasos indicados por las normas Realizar las pruebas diseñadas 5. MARCO REFERENCIAL 5.1 MARCO DE ANTECEDENTES El actual trabajo de grado hace parte del proyecto “Diseño, construcción, control y pruebas de un quemador experimental tipo cañón de alta presión de ACPM, para el Laboratorio de Térmicas”, que ha sido liderado por el Grupo de Investigación en Sistemas Térmicos y Potencia Mecánica, la cual ha pasado por dos fases, la primera fase de diseño y construcción, fue iniciada por estudiantes de la facultad de Ingeniería Mecánica, en la segunda fase se realizó la instrumentación y control entre estudiantes de la facultades de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Eléctrica, al igual que cambios de mejoramiento en el sistema. 5.2 MARCO CONCEPTUAL ACPM: aceite combustible para motor también llamado combustible Diesel, se obtiene por destilación directa del petróleo y a condiciones normales(1 atm y a 25°C) tiene color claro a ámbar con las siguientes características: Densidad: 0.86 – 0.895 (Kg/m3) Inflamabilidad: superior a 60°C Presión de vapor: 0.5 mm Hg. Contenido de azufre: 0.4%(masa) Poder calorífico: superior a 10500 cal Viscosidad: 4.58 mm2/s Cenizas: 0.0%(masa) Atomización: fraccionar en pequeñas gotas el combustible para permitir quemarlo con efectividad. Calor: es una forma de energía que se transfiere entre dos sistemas debido a una diferencia de temperatura. Calor específico: cantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de una unidad de masa de una sustancia en un grado. Calor latente: relativo a un cambio de estado, es la energía térmica necesaria para que un kilogramo de una sustancia cambie de un estado de agregación a otro. Cámara de combustión: es el lugar donde se lleva a cabo la reacción química que da lugar a la liberación de los gases de escape. Combustible: sustancia que reacciona químicamente con otra sustancia para producir calor, o que produce calor por procesos nucleares. El término combustible se limita por lo general a aquellas sustancias que arden fácilmente en aire u oxígeno emitiendo grandes cantidades de calor. Combustibles fósiles: sustancias ricas en energía que se han formado a partir de plantas y microorganismos enterrados durante mucho tiempo. Los combustibles fósiles, que incluyen el petróleo, el carbón y el gas natural, proporcionan la mayor parte de la energía que mueve la moderna sociedad industrial. Combustión: proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles comunes, el proceso consiste en una reacción química con el oxígeno de la atmósfera que lleva a la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, que proceden de los componentes menores del combustible. Contenido en CO2: Es el valor expresado en tanto por ciento del volumen de CO2 contenido en los productos gaseosos secos de la combustión, con respecto al volumen total de dichos productos. Contenido en O2: Es el valor expresado en tanto por ciento del volumen de O 2 contenido en los productos gaseosos secos de la combustión con respecto al volumen total de dichos productos. Contenido en CO: Es el valor expresado en tanto por ciento del volumen de CO contenido en los productos gaseosos secos de la combustión con respecto al volumen total de dichos productos. Contenido en NO2: Es el valor expresado en tanto por ciento del volumen de NO2 contenido en los productos gaseosos secos de la combustión con respecto al volumen total de dichos productos. Eficiencia de la combustión: es la relación de porcentaje del calor que se extrae de un combustible con el calor total que el mismo contiene. Energía: capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. Entropía: función de estado que mide el desorden de un sistema físico o químico, y por tanto su proximidad al equilibrio térmico. Gases de escape: son los gases producto de la combustión en la cámara de combustión de un motor. Hidrocarburos: en química orgánica, familia de compuestos orgánicos que contienen carbono e hidrógeno. Son los compuestos orgánicos más simples y pueden ser considerados como las sustancias principales de las que se derivan todos los demás compuestos orgánicos. Inyector o boquilla: Es un dispositivo mediante el cual se inyecta combustible para ser combinado con el aire dentro de la cámara de combustión. Reacción química: proceso en el que una o más sustancias (los reactivos) se transforman en otras sustancias diferentes (los productos de la reacción) 5.3 MARCO TEÓRICO 5.3.1. INTRODUCCIÓN La combustión es el proceso mediante el cual las industrias generan el vapor y la energía necesarios para la obtención de sus productos. Equipos como calderas suministran el calor necesario para el secado, vaporización y las reacciones químicas endotérmicas(que requieren calentamiento); como se encuentra presente en medio de los procesos industriales, ejerce una marcada afectación al medio ambiente ya que el uso de combustibles y la ocurrencia de combustiones incompletas, tienen consecuencias negativas sobre la eficiencia de la combustión, así como el aumento de los tiempos de procesos, problemas de corrosión y contaminación atmosférica(emisión de dióxido de carbono, óxidos de azufre, etc). 5.3.2. COMBUSTIÓN Se define como la reacción química entre un combustible y un comburente (oxígeno), cuyo fin es producir energía calorífica y en la cual se forman productos como gases y cenizas. Cuando la reacción de combustión es completa a partir del carbono e hidrógeno contenidos en los derivados del petróleo se obtienen como productos dióxido de carbono(CO2) y agua(H2O). Por el contrario, si la combustión es incompleta adicionalmente tiene lugar la formación de monóxido de carbono(CO). La combustión puede dar origen a otras emisiones como óxidos, producto de la reacción del oxígeno con elementos como azufre, hierro y sílice, que forman parte de la composición de algunos combustibles. 5.3.3. ESTEQUIOMETRÌA la cantidad de oxígeno requerida para quemar de manera neta los componentes de un combustible se denomina oxígeno teórico o aire. La expresión general para la combustión de un combustible es: CmHn + ((4m+n)/4)O2 mCO2 + (n/2)H2O m y n son el número de átomos de carbono e hidrogeno neto en el combustible respectivamente. Para que la combustión sea completa, en la practica se requiere una cantidad mayor que la teórica del aire, la cual se expresa como porcentaje del aire teórico y se denomina aire en exceso; además para los fines relacionados con los cálculos de la combustión del aire se supone como 20.9 moles de oxígeno y 79.1 moles de nitrógeno atmosférico. 5.3.4. ELEMENTOS DE UN EQUIPO DE COMBUSTIÓN Cámara de combustión: espacio cerrado donde se produce calor mediante la oxidación química de un combustible. Quemador: dispositivo que produce llama y cuya función es mezclar el combustible y el comburente en proporciones tales que se encuentren en los limites de flamabilidad para lograr el encendido y una combustión completa. En general la combinación de ambos debe proporcionar los cuatro elementos básicos de la combustión: Mezcla íntima de combustible y comburente Admisión de cantidades suficientes de comburente para quemar por completo el combustible Temperatura suficiente para encender la mezcla de combustible y aire, y completar su combustión Tiempo necesario de residencia para que la combustión sea completa. 5.3.5. DEFINICIÓN Y PROPIEDADES DE COMBUSTIBLES se designan de ésta manera a las sustancias ricas en carbono y en hidrogeno que al quemarse en presencia de oxígeno se transforma exotérmicamente(liberan energía). Calor de combustión: cantidad de calor que se desprende cuando un mol de un combustible se quema a temperatura y presión constante. Potencia calorífica: numéricamente igual al calor de combustión pero de signo contrario. Se expresa de acuerdo al estado del agua después de la combustión: Potencia calorífica inferior(LHV): es el calor desprendido en la combustión completa, a presión constante y temperatura de 25°C. El agua presente en estado líquido en el combustible aparece en los productos de la combustión condensada. Potencia calorífica superior(HHV): es el calor desprendido en la combustión completa, a presión constante y temperatura de 25°C. El agua se encuentra en forma de vapor después de la combustión. Punto de inflamabilidad: mínima temperatura a la cual los vapores de un liquido inflamable forman una mezcla explosiva con el aire. Viscosidad: propiedad de los fluidos debida al frotamiento de sus moléculas o resistencia que experimenta al movimiento. 5.3.6. COMBUSTIBLES LÍQUIDOS Los combustibles líquidos se vaporizan o atomizan en el aire de combustión. El tiempo, la temperatura y la turbulencia son los criterios a tener en cuenta para lograr una buena combustión. Los tipos de quemadores utilizados para combustibles líquidos se describen en la siguiente tabla: TIPO DE ENCENDIDO Quemadores de vaporización Quemadores atomizadores de aceite DESCRIPCIÓN El calor de la flama convierte continuamente el combustible líquido en vapor en el aire de combustión, de modo que la flama que se sostiene. Este principio se utiliza en los sopletes, en hornos domésticos de calefacción, estufas de queroseno y encendedores de cigarrillos. Se rocía combustible desde una tobera con presiones de 100 a 300 psi, o lo atomizan en aire o vapor a presiones de 0.5 a 200 psi. Los índices de liberación de calor dependen de las propiedades del combustible, la concentración de aire en exceso, la mezcla de aire y combustible, y los niveles tolerables de humo. 6. MÉTODO O ESTRUCTURA DE LA UNIDAD DE ANÁLISIS En este momento hay una norma ASME para proceder en los ensayos : ASTM D4868-00 10-Diciembre-2000 Standard Test Method for Estimation of Net and Gross Heat of Combustion of Burner and Diesel Fuels 7. DISEÑO METODOLÓGICO 1. Acceso al laboratorio de térmicas, laboratorio de modelos, taller de soldadura y de máquinas herramientas, salas de cómputo de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira. 2. Asesoría por parte de los profesores de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira, acceso a los textos y experiencias concernientes a los quemadores y el QETCAP. 3. Utilización de tablas, planos técnicos, catálogos, fuentes electrónicas (Internet) acerca de quemadores 4. Instrumentos de medición de Laboratorio de Térmicas tales como sensores de temperatura, medidores de flujo y medidores de presión y analizador de gases de combustión. 5. Los programas de computador que se utilizarán en la etapa de diseño son los siguientes: Solid Word Stanjan Combustión(Programa del texto Termodinámica, Yunus A. Cengel - Michael A. Boles) Office 8. ESQUEMA TEMÁTICO PROVISIONAL INTRODUCCIÓN CAPITULO 1: Marco teórico. 1.1. Tipos de quemadores. 1.2. Aplicaciones. CAPITULO 2: Análisis teórico. 2.1. Estudio de los parámetros de funcionamiento de los quemadores 2.2. Análisis teórico de normas técnicas y selección 2.3. Diseño del proceso de realización de pruebas 2.4. Análisis estequiometrico con los parámetros de funcionamiento CAPITULO 3: Proceso de obtención de datos 3.1. Aplicación del diseño de las pruebas según la norma seleccionada 3.2. Tablas y graficas de los datos obtenidos CAPITULO 4: Análisis de datos 4.1. Comparación de los datos obtenidos con datos teóricos 4.2. Análisis de posibles causas de error y posibilidad de corrección. CAPITULO 5: Parámetros para funcionamiento optimo CAPITULO 6: Conclusiones y recomendaciones. 6.1. Conclusiones. 6.2. Recomendaciones. BIBLIOGRAFIA ANEXOS 9. PERSONAS QUE PARTICIPAN EN EL PROYECTO DIRECTOR: Juan Esteban Tibaquirá G. IM, MSc. Profesor asistente. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Tecnológica de Pereira. ASESORES: Carlos Alberto Orozco H. IM, MSc. Profesor titular. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad Tecnológica de Pereira. Carlos Alberto Romero. IM, MSc. Profesor titular. Escuela de Tecnología Mecánica. Universidad Tecnológica de Pereira. EJECUTORES: Leandro Jiménez García Edwin Eleandro Mejia Cardona Estudiantes Facultad de Ingeniería Mecánica Universidad Tecnológica de Pereira 10. RECURSOS DISPONIBLES: Recursos materiales y equipos: a. b. c. d. Libros y revistas Software Computador e impresora Quemador Experimental Tipo Cañón de Alta Presión (elementos de control y computador) e. Analizador de gases f. Papelería Recursos institucionales: Los puntos a., d. y e. serán recursos prestados por la facultad de Ingeniería Mecánica Recursos financieros: ITEM NOMBRE CANTIDAD 1 Hora computador Hora estudiante Hora asesor Hora laboratorio Combustible (ACPM) Transporte Hoja impresa Empastada Papelería Fotocopias TOTAL 2 3 4 5 6 7 8 9 10 400 PRECIO UNITARIO $2000 PRESCIO TOTAL $800000 384 $2650 $1117600 16 384 $30000 $3000 $840000 $1152000 120 $3860 $463200 192 215 2 250 70 $950 $500 $15000 $24 $60 $4702900 $182400 $107500 $30000 $6000 $4200 11. CRONOGRAMA: Se planea realizar las actividades del proyecto durante el primer y segundo semestre del año 2005, de la siguiente forma: Tema/Fecha Revisión Bibliográfica Anteproyecto Introducción Capítulo 1 Capítulo 2 Capítulo 3 Capítulo 4 Capítulo 5 Capítulo 6 Elaboración del documento Sustentación Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic 12. BIBLIOGRAFÍA ASME: The American Society of Mechanical Engineers. Norma estandar acerca de quemadores. Fuente obtenida de: http://www.techstreet.com/cgi-bin/detail?produt_id=3163 ACERCAR: unidad de asistencia para la pequeña y mediana industria. Principios de combustión. Fuente obtenida de: http://acercar.org.co/industria/manuales/combustion/02proceso.pdf CONSEJO ACADÉMICO UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA. Reglamento del trabajo de grado para todos los pregrados. Pereira, Colombia: UTP, Diciembre de 1997, 4p.: ACUERDO 065/1997. Suramericana de seguros S.A. Publicación de normas de seguridad 2002, fuente obtenida de: http://www.suramericana.com/Publicacion/pdfProductos/vapor.PDF