cámara hilton - lab. 3.docx

7/22/2019 Cmara Hilton - Lab. 3.docx

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA

Laboratorio de Ingeniera Mecnica MN463-B

CMARA DE COMBUSTIN CONTINUA A PRESIN

CONSTANTE HILTONIntegrantes Cdigo

CARHUAMACA VILLENA, Jean Carlos 20110225A

CASTILLO ALVARADO, Luis Yordan 20114062J

CORILLA HINOSTROZA, Luis Alberto 20101333J

GALLARDO ESTEVES, Juan Carlos 20114032C

HUARI ESTELO, Gian Pier Fernando 20102146I

MACEDO MAMANI, Andrea Mnica 20114163K

MALCA QUISPE, Joseph Roy 20110175D

RIVERA TORRES, Jorge Yampier 20114131A

TURPO MANSILLA, Luis Miguel 20110045K

Docente: Ing. Eliseo Paez Apolinario

Ciclo: 2014-I


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CAPITULO I


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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.


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INTRODUCCIN

La 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.


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OBJETIVOS

Realizar el balance trmico del combustible empleado en el laboratorio.

Determinar las diferencias entre la combustin del GLP y Kerosene.


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CAPITULO II


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FUNDAMENTO TERICO

2.1. 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 combu stin :constituido por.

1.- Cmara Refractaria.

2.- Cmara de Combustin.

3.- Chimenea.

4.- Siete Visores.

5.- Orificio para el tubo muestreador.

6.- Buja de Ignicin.

Vent ilad or Cent rfugo


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Sistema de Combustible

1.- Circuito de Combustible lquido (Kerosn).

2.- Circuito de Combustible Gaseoso (GLP).

Sistema de Aire

Sis temas d e Agu a

1- Circuito de Refrigeracin de la Cmara.

2- Circuitos de Refrigeracin del tubo muestreador.

Panel de Control

2.3. ESPECIFICAIONES

QUEMADOR

Schieldron N.3Patente 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.


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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 Hz13.5 Amper - 5Hp

3400 RPM.

Figura N 01.-VENTILADOR

CAMARA DE COMBUSTION

Compuesta de:

a) Cmara Refrac tar ia.- 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.


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b) Cmara de Com bu sti n.- 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 s iete m iril las d e vid rio ,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.

CONTROLES

a.-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.


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ESQUEMA DE LA CAMARA DE COMBUTION "HILTON"

Combustible

Lquido(Kerosene)

mc

CombustibleGaseso(Propano)

mc

Buja deIgnicin

Tanquede

Kerosene

maTa

Ventilador

Aguade

Refrigeracin

m

T2

AnalizadordeGases

T9T5

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


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CAPITULO III


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EQUIPOS E INSTRUMENTOS

3.1. Cmara Hilton

Figura N 4.- CAMARA HILTON

3.2. Ventilador

Figura N 5.-VENTILADOR

3.3. Protector auditivo.

Figura N 6.-OREJERAS


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CAPITULO IV


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PROCEDIMIENTO

4.1 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).


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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.


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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 PARADA

1.- 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.


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CAPITULO V


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CLCULOS Y RESULTADOS

I) Anlis is de gas es:

Datos

Combustible AireGas Agua ORSAT

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

GLP

11 20 148 34 679 1000 27 82 11,350 0,053 2,340 13,455

10,2 20 148 35 694 1000 27 84 12,720 0,105 0,905 14,510

9,3 21 148 35 668 1000 26 81 13,722 0,453 0,053 15,914

8,1 21 148 35 631 1000 26 76 12,390 2,304 0,211 18,272

El analizador ORSAT nos permite conocer el ,, (d) y pordiferencia tambin el , es decir las concentraciones de los gases de escapeproducto 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 AireCombustible real se calcula como:


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Determinac in de la relacin aire-com bus tible real:

Determinac in de la relacin aire-com bus tible terico:

+ + + x y a b c d r(a/c)t

GLP

13,690 41,472 24,058 13,690 90,459 20,736 16,052

13,625 38,664 23,291 13,625 87,575 19,332 15,816

13,775 34,443 22,386 13,775 84,170 17,221 15,385

12,601 31,329 20,433 12,601 76,827 15,664 15,367

+ + + + + x y a B c d e f r(a/c)r

GLP

13,690 41,472 22,941 11,350 0,053 2,340 86,257 20,736 15,306

13,625 38,664 22,944 12,720 0,105 0,905 86,269 19,332 15,580

13,775 34,443 22,812 13,722 0,453 0,053 85,772 17,221 15,678

12,601 31,329 22,632 12,390 2,304 0,211 85,095 15,664 17,021


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Clcul o d el exc eso de air e:

Clculo del Exceso de Aire:

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

r(a/c)t r(a/c)r% Excesode aire

C (Kg carbono/Kg comb.)

H (Kg hidrgeno/Kgcomb.)

GLP

1 16,052 15,306 -4,645 0,798 0,202

2 15,816 15,580 -1,491 0,809 0,191

3 15,385 15,678 1,903 0,828 0,172

4 15,367 17,021 10,762 0,828 0,172

II) Balance Trm ic o :

1) Calor liberado por el combustible ():

Donde:


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2) Calor cedido al agua de refrigeracin ():

Donde:

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

Donde:

Calor cedido a los gases de escape

Tg(C)

mg(Kg/hr)

Ta(C)


Q2(KJ/Kg comb)

Propano 679 14,492 34 0,798 9375,388607

694 14,859 35 0,809 9821,229991

668 15,126 35 0,828 9603,648489

631 16,476 35 0,828 9849,21073

Calor cedido al agua de refrigeracin

mag(Kg/hr)

mC(Kg/hr)

Te(C)

Ts(C)

Q1(KJ/Kg comb)

GLP

1000 11 27 82 20900,000

1000 10,2 27 84 23358,824

1000 9,3 26 81 24720,430

1000 8,1 26 76 25802,469


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4) Calor cedido al agua formada por la combustin:

[( ) ( )]

Donde:

[ ]

Donde:


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5) Calor perdido por combustin incompleta ():

Calor perdido por combustin incompleta


Q4(KJ/Kgcomb)

GLP

0,171 0,798 3229,767

0,066 0,809 1271,5450,004 0,828 75,345

0,017 0,828 327,460

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

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)

PresinParc.(KPa)

Q3(KJ/Kgcomb)

0,101 48,60 20,00 2385,24 679 11,435 3371,415

0,096 47,65 20,00 2383,98 694 11,055 3220,843

0,086 48,64 21,00 2384,90 668 11,805 2864,437

0,086 47,58 21,00 2382,44 631 11,087 2792,361


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Calor perdido por calentamiento de la humedad del aire

Tg(C) r(a/c)r M TBS(C)

Q5 (KJ/Kgcomb)

GLP

679 0,019 15,306 0,291 18,940 369,130

694 0,019 15,580 0,296 18,940 384,273

668 0,019 15,678 0,298 18,940 371,804

631 0,019 17,021 0,323 18,940 380,633

7) Calor perdido por radiacin, conveccin y otros:

Calor perdido por radiacin, conveccin y otros

QL(KJ/Kgcomb)

Q1(KJ/Kgcomb)

Q2(KJ/Kgcomb)

Q3(KJ/Kgcomb)

Q4(KJ/Kgcomb)

Q5(KJ/Kgcomb)

Q6(KJ/Kgcomb)

GLP

50264,5 20900,000 9375,389 3371,415 3229,767 369,130 13018,799

50264,5 23358,824 9821,230 3220,843 1271,545 384,273 12207,786

50264,5 24720,430 9603,648 2864,437 75,345 371,804 12628,835

50264,5 25802,469 9849,211 2792,361 327,460 380,633 11112,367


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Tabla de Resultados Experimentales:

TABLA DE RESULTADOS

Comb.Punto

r(a/c)r%

Excesode aire

QL(KJ/Kg)

Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

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

GLP

1 15,306 -4,645 50264,5 41,580 20900,000 18,652 9375,389 6,707 3371,415 6,426 3229,767 0,734 369,130 25,901 13018,799

2 15,580 -1,491 50264,5 46,472 23358,824 19,539 9821,230 6,408 3220,843 2,530 1271,545 0,765 384,273 24,287 12207,786

3 15,678 1,903 50264,5 49,181 24720,430 19,106 9603,648 5,699 2864,437 0,150 75,345 0,740 371,804 25,125 12628,835

4 17,021 10,762 50264,5 51,333 25802,469 19,595 9849,211 5,555 2792,361 0,651 327,460 0,757 380,633 22,108 11112,367


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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 porradiacin,

conveccin y

otros 22,108 %

Calor perdido

por

calentamiento

de la humedad

del aire

0,757%

Calor Liberado por el

combustible 100%


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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.


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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.


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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 aexcesos y defectos de aire.

cámara hilton - lab. 3.docx

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