PROYECTO - Universidad Tecnológica de Pereira

ANTEPROYECTO
1. TÍTULO DEL PROYECTO
“Diseño, construcción y pruebas de un quemador experimental tipo cañón de alta
presión de ACPM, para uso didáctico”.
2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En el mercado existen quemadores para muchas aplicaciones, desde dispositivos
pequeños para uso doméstico, hasta grandes equipos de uso industrial. Estos
quemadores tienen elevados costos que no permiten que la pequeña y mediana
industria tengan fácil acceso a ellos, las cuales presionadas por la necesidad de
producir energía calorífica, se ven obligadas a hacer grandes inversiones para
este fin, ó fabricar sus propios dispositivos quemadores de combustibles, en
algunas ocasiones sin seguir las instrucciones de un diseño previo de ingeniería,
sino basándose en cálculos empíricos y ensayos de prueba y error.
Los enfrentamientos teóricos y empíricos han arrojado como resultado que la
mejor forma de investigación y operación, es el tratamiento del problema de forma
que la teoría y la práctica se
combinen y se ayuden mutuamente; el estudio
teórico aislado podrá pasar por alto variables medibles únicamente en la práctica,
mientras que un análisis exclusivamente empírico dejará de aprovechar
herramientas que definen condiciones óptimas de funcionamiento.
En este proyecto se pretende combinar las herramientas teóricas y las
observaciones empíricas que se han hecho y se encontraran y se encontraran
durante el diseño, construcción y pruebas de los sistemas del dispositivo y del
quemador en sí.
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2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA
Se propone diseñar y construir un quemador experimental tipo cañón de alta
presión, y por medio de algunas pruebas sustentar el aporte de este estudio en la
construcción de estos dispositivos, para el mejor aprovechamiento de la energía.
3 JUSTIFICACIÓN
La producción de calor hace parte
de la mayoría de procesos tecnológicos.
Teniendo en cuenta que el principal costo en la generación de calor esta
representado por el combustible, el cual muestra un alza en los precios
significativa, es evidente que cualquier esfuerzo que se haga para la optimización
de dicho proceso es una labor loable y económicamente sustentable.
Algunas empresas por razones económicas emprende de manera empírica, el
diseño y construcción de sus propios quemadores, equipo principal en la
generación de calor, los equipos así logrados por medio de un proceso de ensayo
y error a pesar de lograr mejoras posteriores en sus características, presentan
diferencias notables.
Es conveniente poner un conocimiento seguro y científico de diseño para que el
resultado constituya la mejor opción posible y las posibilidades disponibles serán
aprovechadas al máximo. Se propone entonces abordar
el desarrollo de los
quemadores por medio de un proceso de diseño teórico y la comprobación del
logro de las variables de diseño mediante un proceso experimental. Se plantea
aquí poner en práctica las herramientas obtenidas en nuestra formación como
ingenieros.
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4 OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL
Diseñar, construir y probar un quemador experimental tipo cañón de alta presión
de ACPM, para uso didáctico.
4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1. Realizar el análisis termodinámico y de transferencia de calor preliminar.
2. Diseñar el sistema de inyección de combustible.
3. Diseñar el sistema de alimentación de aire.
4. Diseñar el sistema de encendido del quemador.
5. Construir, seleccionar y ensamblar el sistema de inyección de combustible.
6. Construir, seleccionar y ensamblar el sistema de
peración ón de aire.
7. Construir el sistema de encendido del quemador.
8. Ensamblar los sistemas de
peración del quemador.
9. Probar y tomar los datos de funcionamiento del quemador experimental.
10. Diseñar una práctica de laboratorio de térmicas.
5 MARCO TEÓRICO.
5.1 MARCO REFERENCIAL.
Desde tiempos prehistóricos el fuego ha sido uno de los medios más valiosos para
el hombre, el fuego es una reacción química que se caracteriza por la emisión de
calor y luz acompañada de humo y llamas.
Esta reacción química es conocida como combustión, que es una oxidación en la
que han de intervenir, un material que se oxide al que llamamos combustible y un
elemento oxidante que llamamos comburente. Además debe disponerse de una
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cierta cantidad de energía de activación, habitualmente calor. Se puede afirmar
que el comburente más usado es el aire debido a su facilidad de adquisición. Los
combustibles pueden clasificarse, según el estado en que se presentan, en:
-
Combustibles sólidos: leña, carbón vegetal, carbón mineral, carbón
coque.
-
Combustibles líquidos: gasolina, gasóleo, petróleo industrial, fueloil, alcoholes.
-
Combustibles gaseosos: gas ciudad, gas natural, propano, butano,
acetileno.
En el fuego interviene, además de los tres elementos que le caracterizan, la
velocidad de oxidación. Esta velocidad es muy importante y mide la
descomposición del combustible por el calor, y la combinación de los productos de
descomposición con el comburente que dan lugar a los humos y gases. Estas
combinaciones sucesivas desprenden calor, que producen más descomposición
en el combustible obteniéndose una reacción en cadena que auto-alimenta el
fuego.
El manejo de tantas variables y el desarrollo de la industria presentó la necesidad
de diseñar un dispositivo que hiciera la combustión de forma controlada, práctica y
eficiente. Estos dispositivos llamados quemadores son diseñados a partir del
estado del combustible que se desee quemar.
Existen diferentes clasificaciones para quemadores de combustible líquido, qué
según el requerimiento y uso que vallan a tener, Se destacan por su importancia
los de uso doméstico, los de uso industrial y los experimentales.
Estos quemadores se dividen según el modo de preparación de la mezcla aire
combustible en vaporizadores y atomizadores, cuya fabricación se basa en el
principio de funcionamiento, de los cuales nombramos los más comerciales a
continuación:
Quemadores domésticos de vaporización:

Tipo mecha.

Tipo camisa.
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
Tipo de pote y tiro natural.

Tipo de pote y tiro forzado.
Quemadores domésticos e industriales de atomización:

Atomización mecánica.

Atomización a presión.

Atomización ayudada por otro fluido. (aire ó vapor).
Otra clasificación para quemadores domésticos e industriales de atomización:

Tipo rotativo y llama contra la pared.

Tipo cañón de alta presión.

Tipo cañón de baja presión.

Tipo unidad rotativa de copa vertical.

Tipo horizontal rotativo.
Los quemadores industriales para combustibles líquidos son generalmente de
atomización, debido a los volúmenes que deben manejar, mientras los
quemadores experimentales son el objeto de estudio de cualquier clase. Uno de
los dispositivos más usados en el quemado de combustibles líquidos es el de
cañón de alta presión, debido a su alta confiabilidad y funcionalidad mostrada en
la industria, por esta razón se decidió diseñar, construir y probar un quemador
experimental tipo cañón de alta presión para ACPM. Ya que el quemador a
desarrollar será para uso didáctico, se tomarán como parámetros de diseño
aquellos que permitan cumplir con los rangos de gasto de combustible y potencia
calorífica más bajos existentes en el mercado.
5.2 MARCO CONCEPTUAL
ACPM, aceite combustible para motor también llamado combustible Diesel, se
obtiene por destilación directa del petróleo.
Atomización, fraccionar en pequeñas gotas el combustible para permitir quemarlo
con efectividad.
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Bomba, dispositivo empleado para elevar, transferir o comprimir líquidos.
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.
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.
Gas natural, mezcla de gases entre los que se encuentra en mayor proporción el
metano. Se utiliza como combustible para usos domésticos e industriales y como
materia prima en la fabricación de plásticos, fármacos y tintes. La proporción en la
que el metano se encuentra en el gas natural es del 75 al 95% del volumen total
de la mezcla (por este motivo se suele llamar metano al gas natural).
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.
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Entropía, función de estado que mide el desorden de un sistema físico o químico,
y por tanto su proximidad al equilibrio térmico.
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.
Petróleo, líquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes
sustancias orgánicas. También recibe los nombres de petróleo crudo, crudo
petrolífero o simplemente “crudo”. Se encuentra en grandes cantidades bajo la
superficie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la
industria química.
Presión, en mecánica, fuerza por unidad de superficie que ejerce un líquido o un
gas perpendicularmente a dicha superficie.
Quemador: dispositivo que mezcla y dirige el flujo de combustible y aire, de tal
manera que asegure el encendido rápido y la combustión completa.
Reacción química, proceso en el que una o más sustancias —los reactivos— se
transforman en otras sustancias diferentes —los productos de la reacción.
Termodinámica, campo de la física que describe y relaciona las propiedades
físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios
energéticos.
Transferencia de calor, en física, proceso por el que se intercambia energía en
forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo
cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante
convección, radiación o conducción.
Vacío, según la definición más estricta, espacio absolutamente libre de materia.
Volumen, de una figura tridimensional, es el número que indica la porción de
espacio que ocupa. Se expresa en unidades cúbicas.
Quemador tipo cañón de alta presión, dispositivo quemador que utiliza energía
mecánica de un atomizador, para ayudar al calor irradiado por la llama y a los
componentes de la cámara de combustión a vaporizar al combustible. Este
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sistema consiste de una bomba para el combustible, válvula reguladora de
presión, válvula de cierre, tobera de atomización, ventilador para el sistema de
inyección de aire y un montaje de electrodos eléctricos para el encendido. El
ventilador y la bomba se conectan por lo general directamente al motor. Las
toberas atomizadoras se suministran para que resulten adecuadas a la instalación
del caso con respecto al ángulo de rocío y capacidad. El quemador de cañón de
alta presión rocía al combustible en forma de gotas diminutas directamente a la
corriente de aire en la cámara de combustión.
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QUEMADOR TIPO CAÑON A ALTA PRESION
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DISEÑO METODOLÓGICO.
6.1 FUENTES PRIMARIAS Y SECUNDARIAS.
6.1.1 Primarias.
Acceso permanente 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 y a la fábrica de
producción productos “Loham”, Circasia Quindío.
6.1.2 Secundarias.
Asesoría por parte de los profesores de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la
Universidad Tecnológica de Pereira y del Ing. José Ignacio Huertas profesor del
Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de los Andes, Bogotá; acceso
a los textos y experiencias concernientes a los quemadores.
6.2 INSTRUMENTOS DE RECOLECCION DE DATOS
Tablas, planos técnicos, computador.
6.3 INSTRUMENTOS DE MEDICION
Instrumentos de medición de laboratorio de térmicas, instrumentos de la planta de
producción productos “Loham”, como termopares, medidores de flujo, medidores
de presión, termómetros.
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7 ESQUEMA TEMÁTICO
INTRODUCCION
CAPITULO 1: Marco teórico.
1.1. Reseña histórica.
1.2. Tipos de quemadores.
1.3. Tipos de combustibles.
1.4. Aplicaciones.
CAPITULO 2: Análisis teórico.
2.1.Determinación de los parámetros de diseño.
2.2.Estudio termodinámico.
2.3.Estudio de transferencia de calor.
CAPITULO 3: Diseño y manufactura del quemador
3.1.Diseño del sistema de inyección del combustible.
3.2.Diseño del sistema de alimentación de aire.
3.3.Diseño del sistema de encendido del quemador.
3.4.Diseño en conjunto del dispositivo quemador.
3.5.Obtención de las piezas, herramientas, instrumentos y materiales
necesarios para la construcción del quemador.
3.6.Construcción y ensamble del sistema de inyección del combustible.
3.7.Construcción y ensamble del sistema de alimentación de aire.
3.8.Construcción y ensamble del sistema de encendido del quemador.
3.9.Ensamble final del quemador experimental.
CAPITULO 4: Prueba del quemador
4.1.Diseño de pruebas.
4.2.Toma de datos.
CAPITULO 5:Conclusiones y recomendaciones.
5.1.Conclusiones.
5.2.Recomendaciones.
CAPITUO 6:Diseñar una práctica para el laboratorio de térmicas.
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8 PERSONAS QUE PARTICIPAN EN EL PROYECTO
DIRECTOR:
Juan Esteban Tibaquirá G. IM, MSc.
Profesor auxiliar.
Facultad de Ingeniería Mecánica.
Universidad Tecnológica de Pereira.
ASESORES:
José Ignacio Huertas C. IM, MSc, DSc.
Profesor asociado.
Departamento de Ingeniería Mecánica.
Universidad de los Andes. Bogotá.
Juan Manuel Carmona León. TM, IM.
Propietario.
Productos “Loham”.
EJECUTORES:
Andrés Antonio Acosta Osorio.
Mauricio Yilmer Carmona García.
Estudiantes Facultad de Ingeniería Mecánica.
Universidad Tecnológica de Pereira.
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9 RECURSOS DISPONIBLES
MATERIALES:

Herramientas e instrumentos de medición del laboratorio de térmicas de la
facultad de ingeniería mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira.

Herramientas, instrumentos, piezas y materiales de la fábrica de producción
“PRODUCTOS LOHAM”.

Documentación de la biblioteca Jorge Roa Martínez de la Universidad
Tecnológica de Pereira.

Recursos del centro de documentación de la facultad de ingeniería
mecánica de la Universidad Tecnológica de Pereira.

Apuntes personales.

Papelería en general.
INSTITUCIONALES:

Sala de computo de la facultad de ingeniería mecánica de la Universidad
Tecnológica de Pereira.

Planta de producción “PRODUCTOS LOHAM”.

Laboratorios y talleres de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la
Universidad Tecnológica de Pereira.
FINANCIEROS:
Presupuesto:

Bomba:

Boquillas:

Chasis y carcasa:

Electrodos:

Motor eléctrico:

Papelería:

Temporizador:
$500.000.
$50.000.
$100.000.
$80.000.
$300.000.
$200.000.
$70.000.
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
Transformador:

Ventilador:

Total:
$100.000.
$100.000.
$1.500.000.
NOTA: Los costos anteriores se tomaron para un quemador comercial con una
bomba existente en el mercado de bajo flujo másico como parámetro de diseño,
de este se hace el estimativo para los demás elementos de cada uno de los
sistemas.
La cotización anterior fue hecha para elementos nuevos, en el caso de comprar
elementos de segunda los costos disminuirán en un 40%.
El proyecto se financiará con recursos propios.
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10 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
Tema/Fecha Jun 15-30 Jul 1-15 Ju15-31 Agos 1-6
Rev. Bibliog.
Anteproyecto
Introducción
CAP 1
CAP 2
CAP 3
CAP 4
CAP 5
CAP 6
Elab. Del doc.
Sustentación
Tema/Fecha
Agos 7-19 Agos20-26
Agos 27Sept 9
Sept
10-30
Octubre Noviembre
Diciem
bre
Enero
Febrero
Marzo
May 1- May 2120
Jun 2
Jun 3-16 Jun 17-30
Rev. Bibliog.
Anteproyecto
Introducción
CAP 1
CAP 2
CAP 3
CAP 4
CAP 5
CAP 6
Elab. Del doc.
Sustentación
Tema/Fecha
Rev. Bibliog.
Anteproyecto
Introducción
CAP 1
CAP 2
CAP 3
CAP 4
CAP 5
CAP 6
Elab. Del doc.
Sustentación
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11 BIBLIOGRAFÍA
[1] HERNANDEZ, Roberto. Metodología de la Investigación. México. Mc Graw Hill.
1991.
[2] BURKHARDT, Charles. Domestic and Commercial Oil Burners: Installacion and
Servicing. Estados Unidos. Mc Graw Hill. 1961.
[3] VAN WYLEN, Gordon J. Fundamentos de Termodinámica. Editorial Limusa.
1967.
[4] CENGEL, Yanus A. Termodinámica V1, V2. México. Mc Graw Hill. 1996.
[5] Aceite Combustible, La energía mágica. The Texas Company. 1958.
[6] Acuerdo 065, Consejo Académico Universidad Tecnológica de Pereira.
Dic 1997.
[7] www.ecopetrol.com.co/prin/review/carta/nov99/tecno.htm
[8] www.euskalnet.net/m.ubiria/articulos.htm
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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS DE UN QUEMADOR TIPO CAÑÓN DE
ALTA PRESIÓN DE ACPM, PARA USO DIDÁCTICO.
Andrés Antonio Acosta Osorio.
Mauricio Yilmer Carmona García.
Anteproyecto de Grado.
Director:
Ing. Juan Esteban Tibaquirá G.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA.
Facultad de Ingeniería Mecánica.
PEREIRA JULIO DEL 2002
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DISEÑO, CONSTRUCCIÓN Y PRUEBAS DE UN QUEMADOR TIPO CAÑÓN DE
ALTA PRESIÓN DE ACPM, PARA USO DIDÁCTICO.
Andrés Antonio Acosta Osorio.
Mauricio Yilmer Carmona García.
UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PEREIRA.
Facultad de Ingeniería Mecánica.
PEREIRA JULIO 2002
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