UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA

Departamento de Ingeniería Mecánica SANTIAGO

TITULO DE LA EXPERIENCIA

________________________________________________________________________________________________________

EXPERIENCIA N° __________Grupo N°_______Fecha de la Exp_________________ Fecha de Entrega _________________

NOMBRE ASIGNATURA_________________________________________________________CODIGO___________

CARRERA__________ ____________________________________Modalidad (Diurna o Vespertina)___________________________

NOMBRE DEL ALUMNO___________________________________________________________________________ Apellido Paterno Apellido Materno Nombre

________________________ Firma del alumno

Fecha de Recepción

Nota de Interrogación ________________ Nombre del Profesor ________________________________________

Nota de Participación ________________

Nota de Informe ____________________

_________________________________

Nota Final __________________ ______ ________________ Firma del Profesor

SE RECOMIENDA AL ESTUDIANTE MEJORAR EN SU INFORME LA MATERIA MARCADA CON UNA X

________ Presentación ________ Cálculos, resultados, gráficos

________ Características Técnicas ________ Discusión, conclusiones

________ Descripción del Método seguido _______ Apéndice

OBSERVACIONES

ANALISIS DE COMBUSTION Y CONTAMINACION

HERNÁNDEZ MELO NICOLÁS GUILLERMO

ING EJECUCION MECANICA

SISTEMAS TERMICOS E HIDRAULICOS

E971 2

DIURNA

IVAN JEREZ FLORES

15069

02-12-2013 16-12-2013

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Índice

Pág.

1. Resumen del Contenido 3

2. Objetivos de la Experiencia 3

3. Características Técnica de los Equipos e Instrumentos 3

3.1 Analizadores de Flujo Continuo 3

3.2 Analizadores de Flujo Pulsante 9

4. Discusión de los Resultados, Comentarios y Conclusiones Personales 12

5. Apéndice 12

a) Teoría del Experimento 12

b) Bibliografía Empleada 17

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1. Resumen del Contenido

En el siguiente informe se presenta un trabajo de investigación respecto a diferentes tipos de analizadores de gases, aplicado tanto a los productos de la combustión asociado a fuentes móviles como a usos industriales. Se consideran 4 tipos de analizadores según medición, es decir, flujo continuo y flujo pulsante. En el desarrollo del informe, se detallan las especificaciones técnicas dictadas por el fabricante de cada uno de los analizadores seleccionados, así como también los precios de referencia y su campo de aplicación. Se realiza un análisis y se hacen comentarios respecto a la investigación y los tópicos que se consideran importantes a la hora de realizar una medición de flujos de gases de combustión. Además se adjunta un breve apéndice sobre la base de los analizadores y sus conceptos básicos.

2. Objetivos de la Experiencia

Objetivo General

Familiarizar al estudiante respecto a los análisis de gases producto de la combustión por medio de aparatos analizadores de estos, siendo estos de flujo continuo o pulsante. Debemos también reconocer sus principales funciones y funcionamiento, las tecnologías que los rigen y su área de aplicación respecto a los campos industriales o energéticos.

Objetivos Específicos

Investigar sobre los analizadores de gases para flujo continuo y pulsante con el objetivo de conocer sus características técnicas y campo de aplicación. Específicamente 4 de cada tipo.

Establecer comparaciones entre los analizadores por sus características y manera de flujo, ordenando desde el más básico al más completo, considerando el factor económico.

3. Características Técnicas de los Equipos e Instrumentos 3.1 Analizadores de Flujo Continuo

TESTO 350: Analizador de los productos de la combustión Caja analizadora testo 350, equipada con O2, incluido un sensor de presión diferencial, conexión para sonda de temperatura tipo K NiCr-Ni y tipo S Pt10Rh-Pt, conexión para bus de datos Testo, batería recargable, sonda integrada para temperatura del aire de la combustión (NTC), entrada disparador, memoria para datos, interfaz USB, ampliable a un máx de 6 sensores a escoger entre CO, CO bajo, NO, NO bajo, NO2, SO2, CO2 NDIR, CxHy, H2S. Precio referencia por 1 unidad: 1563,56 € (España)

Características Técnicas: Tipo de sonda Medición electroquímica de CO

Rango de medición 0 … +10.000 ppm CO

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Exactitud ±5% del v.m. (+200 … +2.000 ppm CO) ±10% del v.m. (+2.001 … +10.000 ppm CO) ±10 ppm CO (0 … +199 ppm CO)

Resolución 1 ppm CO (0 … +10.000 ppm CO) Tipo de sonda Medición electroquímica de CO2

Rango de medición 0 … +50 Vol. % CO2

Exactitud ±0.3 Vol. % CO2 + 1% del v.m. (0 … 25 Vol. % CO2) ±0.5 Vol. % CO2 + 1.5% del v.m. (>25 … 50 Vol. % CO2)

Resolución 0.01 Vol. % CO2 (0 … 25 Vol. % CO2) (1 Vol. % CO2) (>25 Vol. % CO2)

Tipo de sonda Medición electroquímica de NO

Rango de medición 0 … +4.000 ppm NO

Exactitud ±5% del v.m. (+100 … +1.999 ppm NO) ±10% del v.m. (+2.000 … +4.000 ppm NO) ±5 ppm CO (0 … +99 ppm CO)

Resolución ±1 ppm NO (0 … +4.000 ppm NO) Tipo de sonda Medición electroquímica de NO2

Rango de medición 0 … +500 ppm NO2

Exactitud ±5% del v.m. (+100 … +500 ppm NO2) ±5 ppm NO2 (0 … +9,99 ppm NO2)

Resolución ±0.1 ppm NO2 (0 … +500 ppm NO2) Tipo de sonda Medición electroquímica de SO2

Rango de medición 0 … +5.000 ppm SO2

Exactitud ±5% del v.m. (+100 … +2.000 ppm SO2) ±10% del v.m. (+2.001 … +5.000 ppm SO2) ±5 ppm SO2 (0 … +99 ppm SO2)

Resolución ±1 ppm SO2 (0 … +5.000 ppm SO2) Tipo de sonda Medición electroquímica de O2

Rango de medición 0 … +25 Vol. % O2

Exactitud ±0.8% del f.e. (0 … +25 Vol. % O2)

Resolución 0.01 Vol. % O2 (0 … +25 Vol. % O2) Tipo de sonda Medición electroquímica de H2

Rango de medición 0 … +300 ppm H2S

Exactitud ±5% del v.m. (+40 … +300 ppm) ±2 ppm (0 … +39.9 ppm)

Resolución 0.1 ppm (0 … +300 ppm)

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EUROTRON Unigas 1000, Basic combustion flue gas analyzer Analizador de gases de combustión portátil para calderas con impresora, sonda y maleta de transporte rígida. Precio según distribuidor FEMTO.

Instrumento para la Medición de 3 gases (O2 + CO2 + CO(H2 Compensado))

Sonda de muestreo 300 mm.

Posee una temperatura de operación de -5 a 45ºC y hasta 90% de humedad relativa.

Precio por 1 unidad: 987,30 € (España)

Características Técnicas

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Greenline 2000, flue gas analyzer

Analizador de gases con impresora

Medidor de O2 incluido en Instrumento

Opción 2 gases adicionales( CO + NOx)

Mide la presión diferencial

Funda de goma magnética

Incluye software + conexión USB

No incluye sonda

Precio 1 unidad: 1.156,50€ (España)

Caracteristicas técnicas:

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MRU Delta 65 Combustion Efficiency Analyzer

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3.2 Analizadores de Flujo Pulsante AGS 688 BLACK Brain Bee - Analizador de Gases Automotrices ($2.550.000 Chile) Características principales

Función automática de calibración a CERO

Tiempo de calentamiento menor a 10 minutos

Sistema de filtrado reforzado y con trampa de agua

Pruebas automáticas para residuos de HC y vacio

Auto prueba y auto diagnóstico

Compensador de altura

Medición inalámbrica vía radio de RPM y temperatura de aceite con el accesorio MGT-300/R (opcional)

Pantalla LCD con iluminación de fondo

Software para PC de múltiples aplicaciones

Conexión a PC vía Cable USB. Opcionalmente vía BLUETOOTH

Impresora térmica de alta velocidad

Mide: HC, CO, CO2, O2 Cálculo de Lambda y CO corregido

Habilitado para medición de NOx (SENSON NOx opcional)

Garantía de un año Rango de mediciones del AGS-688 BLACK:

CO 0 - 9.99% RES.: 0.01

CO2 0 - 19.9% RES.: 0.1

HC 0 - 9999 ppm RES.: 1

O2 0 - 25% RES.: 0.01

LAMBDA 0.5 - 5 L RES.: 0.001

NOx 0 - 5000 ppm RES.: 1 (opcional)

Rpm 300 - 9990 RPM RES.: 10

TEMP. 20 - 250º C RES.: 1 UEi AGA 5000 Five Gas Analyzer (US$3285,30 USA)

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EUROGAS 8020/40 Motorscan - Analizadores de Gases de Escape (Distribuidor Cibamaq Chile)

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LAUNCH C-9003PC Analizador de Gases

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4. Discusión de los Resultados, Conclusiones y Observaciones Personales

Respecto a la investigación, podemos reconocer la implicancia que posee el realizar un análisis de gases de los productos de la combustión para cada proceso que lo amerite, esto tomando en consideración el factor medioambiental y eficiencia energética. Se observa una gran variedad de analizadores, con diferentes características técnicas, en donde una de las principales diferencias radica en los rangos de medición o sensibilidad de los aparatos. Estos también definen su precio según el tipo de tecnología utilizada para realizar las mediciones, las que también se condicen directamente con el número de gases que el aparato puede llegar a medir, es decir, a mayor información entregada respecto al porcentaje de diferentes gases emanados, en muchas ocasiones, mayor será el precio de referencia del aparato. Es importante recalcar que cada uno de los instrumentos trae consigo un manual de uso para realizar las mediciones de buena manera. Comento esto a raíz de que en un sector de procesos mecánicos, en donde está ubicado el nuevo laboratorio de motores, se realiza una experiencia de medición de gases producto de la combustión, para una asignatura que ve estos temas, sin embargo los equipos de medición utilizados, los cuales arrojan resultados de solo 2 tipos de gases, dejan muchos tópicos a la deriva, precisamente porque no se cuenta con un instructivo dado por el fabricante, que nos permita realizar mediciones ajustadas a los requerimientos. Entonces podemos decir que los diferentes analizadores de gases son en función de los diferentes tipos de flujo o escape de los gases. Uno de estos son los de flujo continuo como el caso de las calderas en sus diversas variedades (acuatubulares, pirotubulares por tipo de combustible orientación, etc.), turbinas a gas, quemadores y, en general, todos los procesos donde esté involucrado un proceso de combustión de tipo continuo. A diferencia de estos existen los analizadores de flujo pulsante, que básicamente se refiere a los procesos de combustión interna en motores dentro de talleres automotrices. Los analizadores tienen como propósito evaluar las emisiones de los gases producto de la combustión y dependiendo de la calidad y capacidad del instrumento a utilizar se puede determinar los porcentajes o concentraciones de estos gases para una combustión característica, como también los gases contaminantes del proceso. La importancia de los equipos analizadores de gases radica en la determinación de un buen proceso de combustión, concentraciones de gases como oxigeno presente, inquemados en forma de hidrocarburos (dependiendo del tipo de combustible oxidado), óxidos de azufre o de nitrógeno, presencia de monóxido de carbono y concentraciones de emisiones de dióxido de carbono. Todos estos indicadores tienen como objetivo identificar los excesos de aire, rendimiento de la combustión, si ésta es incompleta, contaminación en función de los flujos másicos de aire y combustible (

) para el dióxido y oxido de carbono considerando los porcentajes presentes en los gases de escape, por ejemplo. Al observar las características de los analizadores de flujo pulsante, se puede mencionar que estos son en general más grandes y voluminosos, en comparación con los de flujo continuo, y se debe particularmente a la capacidad de procesamiento que estos deben tener a raíz de la frecuencia en las mediciones pulsantes con tiempos de respuestas elevados para la obtención de el valor promedio indicado, además de su principio de funcionamiento.

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Como previamente se señalo, la importancia de los analizadores de gases para flujo continuo es detallar el proceso de combustión principalmente para los quemadores de calderas en centrales termoeléctricas y caracterizar los gases, inquemados, oxigeno de exceso y emisiones de gases nocivos para el medio ambiente como lo son los óxidos de nitrógeno que favorece al efecto invernadero artificial o el calentamiento global y los óxidos de azufre que luego de salir medio circundante por las chimeneas de escape disminuyen su temperatura llegando al punto de roció y como consecuencia generará lluvia acida (acido sulfúrico), sin embargo, si esto sucede dentro de la instalación de combustión, tiene un efecto perjudicial en los equipos corroyéndolos, bajo esta supuesta condiciones. Por lo tanto, la importancia que poseen los analizadores de gases en estos procesos es vital para controlar las concentraciones de contaminantes y la combustión propia. En consecuencia, se requiere un estudio de acuerdo a las necesidades y aplicabilidad des esto instrumentos, desde el control de procesos de combustión y contaminación de una central termoeléctrica con oxidación de combustibles fósiles hasta las emisiones de gases en automóviles. En general, tanto para los analizadores de flujo continuo y pulsante, dentro de las características técnicas se ofrece proporcionar la concentración de gases en partículas por millón y dependiendo del tipo de marca y modelo, el grado de certeza de la medición. Particularmente, en los de flujo continuo se especifica detalladamente los errores asociados para los gases de combustión, debido su importancia de aplicación en quemadores de centrales térmicas, por ejemplo el Testo 350 posee una diversa gama de medición de gases con gran precisión, utilizando diferentes sondas según resultados esperados, y su precio se acerca a los 1600 Euros. El analizador “Greenline 2000” tiene la ventaja de ser portable e imprimir los resultados de la medición. Los analizadores de gases de flujo pulsantes son más sencillos en sus especificaciones secundarias, siendo importante las revoluciones por minuto del motor y la temperatura de trabajo al cual está sometido.

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5. Apéndice

a) Teoría de la Experiencia

Análisis de gases El análisis de los gases consiste en la detección de gases y vapores relacionados con el control de procesos de combustión del área energética, química y metalúrgica, en el control del medio ambiente y en el área de control de seguridad. Aunque los analizadores se consideran instrumentos eléctricos, es necesario tener conocimientos de química para comprender su principio de funcionamiento y obtener resultados de mediciones correctos y precisos. En el caso de corrientes de proceso gaseoso (gases de combustión, gases de proceso o también aire) se utiliza el término análisis de gas de proceso. Los puntos de medición con dispositivos de muestreo de operación continua, entre ellos analizadores, se sitúan en diferentes puntos en una planta (en el quemador o caldera, en la chimenea, en el horno de cemento, cerca del filtro electroestático etc.) en un ambiente y condiciones de operación bastante agresivas. La diferencia respecto al análisis de laboratorio es que la instalación de los analizadores en un laboratorio cuenta con las mejores condiciones de operación y que las muestras del proceso se toman de manera discontinua y se llevan al laboratorio. Los analizadores de laboratorio suelen diseñarse para mediciones sofisticadas y requieren operadores cualificados. Los resultados del análisis de gas del proceso se utilizan para:

Control de proceso, por ejemplo, mediante el control de las materias primas y el suministro de aditivos, y optimizando las fases del proceso,

Protección de personas y plantas mediante el control de la atmósfera de la planta en previsión de mezclas de gas explosivas o tóxicas,

Control de calidad del producto mediante el control de las fases de producción del proceso y el control de la especificación final del producto, y

Protección medioambiental mediante el control de la adecuación de los gases de escape a los límites estándar especificados de los diferentes contaminantes.

Analizadores El corazón de cualquier analizador es un sistema de sensores o un sensor específico. Su funcionalidad se basa en un principio físico o fisicoquímico definido como la absorción, adsorción, transmisión, ionización, conductividad, magnetismo, etc. Los sensores reaccionan a las variaciones de la propiedad en cuestión de la muestra con la variación correspondiente de su propiedad (mayor absorción de luz o menor conductividad eléctrica, por ejemplo) y con ello se obtiene una señal de medición. Según el diseño, los analizadores pueden clasificarse de este modo:

Analizadores portátiles para aplicación móvil de un analizador en diferentes puntos de medición para mediciones de corta duración,

Analizadores para instalaciones fijas en puntos definidos de una planta para mediciones continuas durante meses y años,

Analizadores in-situ, que se instalan y operan directamente en la corriente del proceso

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Analizadores extractivos, que se instalan en un rack o una caja de analizador (recipiente) fuera de la corriente del proceso y utilizan una sonda de muestreo y una unidad de condicionamiento de gas muestra para suministro de gas muestra.

Áreas de aplicación Los analizadores del proceso de gas tienen varias áreas de aplicación principales: 1. Optimización de la combustión Optimización de los procesos de combustión con el objetivo de ahorrar energía, proteger la planta (extensión de vida de servicio) y minimizar las emisiones. 2. Control del proceso Control de una composición concreta de gas para controlar un proceso de elaboración con el fin de obtener ciertas especificaciones y cualidades del producto. 3. Control de emisiones Control de plantas de limpieza de gas para corregir la operación y controlar las concentraciones de contaminantes de gases de combustión para que cumplan el valor límite especificado. Sensores El término sensor suele describir todo tipo de instrumentos de medición que miden una cantidad física o un cambio en una cantidad física, como temperatura, presión, concentraciones de gas, etc. Un sensor está formado por el elemento sensor (sensor elemental) y un transmisor. El elemento sensor debe tener una característica (por ejemplo conductividad, absorción de luz) que cambia con las variaciones del componente de medición. Entonces, el transmisor transforma esta “reacción” del elemento sensor en una señal de medición. Los grupos de sensores más frecuentes son:

Sensores de medición de temperatura

Sensores de medición de presión

Sensores de medición de flujo y nivel

Sensores de medición de concentraciones y propiedades de la materia (Analizadores)

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Tabla de Principios de funcionamiento de diversos sensores de los analizadores

Los más utilizados en la industria son los electroquímicos, que se detallan a continuación. Los sensores adecuados para la determinación del oxígeno así como para CO, SO2 y NOx funcionan según el principio electroquímico de potenciometría selectiva de ión. Se rellenan los sensores, concretamente para esta tarea de medición, con una solución electrolítica acuosa. Se colocan dos o tres electrodos (de nuevo, específicos para esta tarea) con un campo eléctrico aplicado. Los sensores están sellados con el exterior mediante una membrana permeable al gas. El diseño en detalle y el principio de operación difieren según el componente del gas que se mide, tal como se demuestra en los siguientes dos ejemplos: Ejemplo 1: Sensor de oxígeno (2 electrodos) El gas de combustión respecto a las moléculas de oxígeno atraviesa la membrana y llega al cátodo del sensor. Debido a la composición material del cátodo, tiene lugar una reacción química que provoca la liberación de iones OH (iones = partículas con carga) procedentes del cátodo. Los iones libres migran a través del líquido electrolito al ánodo del sensor y de este modo se genera una corriente eléctrica en el circuito eléctrico externo que es proporcional a la concentración de oxígeno. Esta corriente crea una caída de voltaje a través de la resistencia R, que es la señal de medición y se utiliza para el procesamiento electrónico adicional. La resistencia integrada es una resistencia térmica con coeficiente de temperatura negativo, NTC. Sirve para compensar las influencias de temperatura y garantiza de este modo un rendimiento del sensor térmicamente estable. La vida en servicio de los sensores de oxígeno es de unos 3 años.

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Ejemplo 2: Sensores de CO, SO2 y NOx (sensores de tres electrodos) Para determinar gases como CO, SO2 o NOx, se utilizan sensores de tres electrodos. El principio de operación se explica a continuación utilizando el sensor de CO como ejemplo.

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Las moléculas de monóxido de carbono (CO) atraviesan la membrana permeable al gas y se dirigen al electrodo sensor del sensor. En él se produce una reacción química que origina la formación de iones H+ que migran del electrodo sensor al electrodo contador. En el electrodo contador, se produce una segunda reacción química con la ayuda del oxígeno del aire fresco. Esta segunda reacción provoca una corriente que circula en el circuito externo. La corriente puede evaluarse como medida de la concentración de monóxido de carbono. El electrodo de referencia sirve para estabilizar la señal del sensor. La vida útil de este tipo de sensor es de aproximadamente 2 años.

b) Bibliografía Empleada

Sitios Web:

http://www.cibamaq.cl

http://www.tequipment.net/UEiAGA5000.html

http://www.launchiberica.com/es/prod/analizadorgases.htm

http://www.testo.com

http://www.femto.es/analizador-de-gases-de-combustion-en-calderas

http://www.ecidesaltillo.com/elcosa/testo/analizador%20300mi.pdf

http://www.sxsmedioambiente.com