caracterización tecnica de un quemador experimental tipo cañon de

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