UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

LAB. DE INGENIERÍA MECANICA II

CÁMARA DE COMBUSTIÓN HILTON

ING. OSWALDO M. MORALES TAQUIRI

FUNDAMENTO TEÓRICO

Introducción

El rango de uso de la unidad de instrucción HILTON es extenso, desde una

prueba simple pero efectiva para operarios de caldero, hasta desarrollo de

proyectos e investigaciones.

Descripción

La Cámara de combustión “Hilton”, es una cámara de combustión a presión

constante.

Partes constitutivas de la unidad.

Quemador: puede ser utilizado en forma independiente con gas,

kerosén o con combinación de ambos.

Cámara de combustión: constituido por.

1.- Cámara Refractaria.

2.- Cámara de Combustión.

3.- Chimenea.

4.- Siete Visores.

5.- Orificio para el tubo muestreador.

6.- Bujía de Ignición.

Ventilador Centrífugo

Sistema de Combustible

1.- Circuito de Combustible líquido (Kerosén).

2.- Circuito de Combustible Gaseoso (GLP).

Sistema de Aire

Sistemas de Agua

1- Circuito de Refrigeración de la Cámara.

2- Circuitos de Refrigeración del tubo muestreador.

Panel de Control

ESPECIFICAIONES

QUEMADOR

Schieldron N°.3 – Patente Británica

789961 N° de serie: 1861G

Quemador de Combustión preparado par operar con combustibles líquidos

y gaseosos. Tiene un diseño especial para mantener la relación Aire-

Combustible.

VENTILADOR

B y C: Tipo y3/100 de tres etapas

Marca: TORNADO

Capacidad: 136 Kg/hr. A570 mm de H2O

Con motor eléctrico. N° 02041_ 890051

220v- 3Ø- 60 Hz – 13.5 Amper - 5Hp

3400 RPM.

CAMARA DE COMBUSTION

Compuesta de:

a) Cámara Refractaria.- de 12””Ø * 11 ¾” de longitud en forma interna

Cónica de 5 ¾” a 1 ¾”Ø con recubrimiento de lana de vidrio de 1” y chapa

metálica exterior y provista de una bujía de ignición eléctrica.

b) Cámara de Combustión.- constituida por dos cilindros concéntricos de

acero inoxidable entre los cuales circula agua. El casco interior de 18” Ø y

el exterior de 20” Ø.

c) Tiene también siete mirillas de vidrio, una al frente de 1 ½” de Ø y seis

ubicadas a los costados tres y tres, de 2” Ø. Además dispone de un orificio con

un tomador de muestra de gases refrigerado por agua.

CONTROLES

a.- Control manual de aire y combustible que mantiene la relación en 5 a 1.

b.- Válvula para regular el flujo de aire en la descarga del ventilador.

c.- Válvula de regulación de flujo de combustible líquido.

d.- Válvula reductora de presión del gas con presión de salida regulable.

e.- Válvula de regulación de flujo de combustible.

f.- Válvula para regular el flujo de agua de refrigeración.

g.- Válvula para controlar el flujo de agua del tomador de muestras.

INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN DE EQUIPO:

REVISIONES ANTES DE OPERAR:

1. Drenara el condensado de la cámara, sacando el tapón ubicado en la parte

inferior.

2. Asegurar de que haya suficiente combustible (gas y/o líquido) para el

experimento programado.

3. Ajustar los tornillos reguladores de nivel, de tal forma que los medidores del

flujo de aire y de la presión de gas en la tubería marquen cero.

4. Chequear que la operación de salida del gas sea aproximadamente 120mm

de H2O, de no tener esta presión se procede a regularla mediante la válvula

reductora de presión (válvula tipo diafragma).

5. Verificar el suministro de agua a la cámara y al tomador de muestra. Se

recomienda un flujo inicial de agua 1000 Kg/hr.

6. Con la válvula de control de aire cerrada (posición N°1 en la escala),

arrancar el ventilador hasta que alcance su velocidad de régimen. Abrir

lentamente la válvula de control de aire y dejarla totalmente abierta

(Posición N° 8) durante un lapso de dos minutos de tal forma de desalojar

posibles gases residuales de experiencias anteriores.

7. Chequear que la bujía de encendido este en la posición correcta y se

produzca a chispa (de ocurrir esto llamara al técnico).

PROCEDIMIENTO DE ENCENDIDO (Encendido con Gas GLP)

1.- Verificar todos los pasos correspondientes a la sección antes de

operar”.

2.- Regular el flujo de agua a 1000Kg/hr.

3.- Abrir el agua de refrigeración para el tubo muestrador.

4.- Regular el flujo de aire a 135Kg/hr.

5.- se oprime el botón de ignición ala vez se abre la válvula de control

de Gas (situada en el panel) en forma lenta hasta conseguir el

encendido.

La válvula de control se ha de abrir hasta que se obtenga una

combustión 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 más de flujo de gas, tan solo para encenderlo y una vez

estabilizada la combustión mantener el flujo a 9Kg/hr.

PRECAUCIONES:

Sí al alcanzar el flujo de combustible mencionado anteriormente no

se consigue el encendido en la Cámara de Combustión, entonces

dejar inmediatamente de presionar el botón de ignición y a la vez

cerrar la válvula de control de combustible.

Dejar purgar la cámara durante dos minutos y verificar el estado dela

bujía de ignición, si esta se encuentra en buen estado reiniciar el

procedimiento de encendido.

6.- Se procede luego a retirar la bujía y colocar el tapón en la lumbrera

de ignición.

OPERACIÓN CON COMBUSTIBLE LÍQUIDO (Kerosén)

1.- Se realizan todos los pasos de la sección de “encendido por gas”,

con lo que tendremos una combustión estable.

2.- Se abre la válvula general de combustible (Kerosén) situada en la

tubería de suministro.

3.- Se abre la válvula de control de Kerosén (situada en el panel) en

forma lenta y en forma simultánea se va cerrando la válvula de

control de gas (también en el panel) cuidando que la combustión no

se interrumpa.

La válvula de control de Kerosén se ha de abrir hasta lograr una

combustión estable, lo cual se consigue con un flujo aproximado de

10 Kg/hr de Kerosén.

Conseguida la combustión este flujo se reduce a 7Kg/hr.

4.- Si la combustión se interrumpe, cerrar inmediatamente las válvulas

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.

INSTRUCCIONES DE PARADA

1.- Cerrar la válvula de combustible del panel.

2.- Cerrar las válvulas de suministro en la tubería principal.

3.- Dejar funcionar el ventilador por dos minutos para la cámara,

cuidando que la palanca de control de flujo de aire esté colocada en

la posición 8.

4.- Parar el ventilador y luego colocar la palanca de control de flujo de

aire en la posición 1.

5.- Cortar el suministro eléctrico.

6.- Dejar correr el agua de refrigeración por espacio de 5 minutos y

luego cerrar la válvula.

PRECAUCIONES

1.- Previo al encendido, como ya se menciono anteriormente, se debe

purgar al cámara, para “barrer” posibles rastros de combustible debido

a ensayos anteriores.

2.- La temperatura de salida del agua de refrigeración no debe ser

mayor de 85° C, ni menor de 60°C.

3.- Se recomienda que la temperatura de salida de los gases debido a la

combustión sea menor de 60°C.

4.- si una vez estabilizada la combustión, esta se interrumpe

produciendo un apagón, se debe cerrar inmediatamente la válvula de

control manual de suministro.

BALANCE DE ENERGIA

Teniendo en cuenta que el calor es una forma de energía capaz de

transformarse en otras formas de energía. El balance de energía nos

proporciona un medio para determinar la eficiencia de la combustión y

los diferentes calores cedidos.

El calor liberado por el combustible al quemarse en la Cámara de

combustión será cedido a

1.- Calor cedido al agua de refrigeración que circula por la camisa de la

Cámara.

2.- Calor cedido a los gases de escape que se van por la chimenea.

3.- Calor cedido al agua formada durante los procesos de Combustión.

4.- Calor dejado de recibir a causa de una combustión incompleta.

5.- Calor cedido para el calentamiento de la humedad del aire

ambiental.

6.- Calor que se pierde por radiación, convección y otras pérdidas.

PROCEDIMIENTO PARA LA EXPERIENCIA

1.- Se enciende la unidad de acuerdo a las instrucciones.

2.- Se escoge un flujo de combustible (Kerosén). Se recomienda que sea

de 7 Kg/hr.

3.- Para el primer balance se recomienda un flujo de aire de 104 Kg/hr.

Para tener un pequeño exceso de aire con una relación de aire

combustible cercana a la estequiométrica (ra/c =14.7).

4.- El flujo de agua debe ser tal, que la temperatura de salida de agua

sea aproximadamente 80° C.

5.- Para estas condiciones se toman todas las lecturas que se indican en

la tabla de datos.

6.-Manteniendo a el flujo de combustible constante (7 Kg/hr), se toman

dos lecturas mas, variando el flujo de aire, se recomienda un flujo de

aire de 120 Kg/hr de aire (ra/c = 17) y un flujo de 135 Kg/hr de aire

(ra/c = 19).

CÁLCULOS Y RESULTADOS

Datos tomados en la experiencia:

COMB

Param.Comb.

Aire Gas Agua ORSAT

R a/cmc

(Kg/hr)Tc

ma(Kg/hr)

TaT gases

de escape

m(Kg/hr)

T entr

.

T sal.

% CO2 % O2 % CO

Propano111098

13121213

138138138138

27272828

720698660621

950950950950

17202121

80787470

10.1011.8413.5412.7

0.200.050.4

1.85

3.951.450.250.15

12.513.8915.6317.86

Kerosén10987

24242323

125125126126

28282828

642616583544

950950950950

21212121

71686357

12.4114

14.311.8

0.000.001.554.0

1.300.400.150.55

12.513.8915.6317.85

7

Cálculo de los coeficientes de las ecuaciones de reacción:

FORMUAL GENERAL DEL KEROSÉN

CxH y+a (O2+3 .76N2 )=bCO2+dCO+eO2+ fN 2+gH 2O

b d e f g a x y

12.414

14.2511.86

1.40.4

0.150.56

00

1.564.05

86.385.6

84.0683.45

19.80417.1213.05

12.080

22.96022.76622.35422.19

13.714.4414.4012.38

39.7034.25625.91024.180

FORMUAL GENERAL DEL GAS APROPANADO

CxH y+a (O2+3 .76N2 )=bCO2+dCO+eO2+ fN 2+gH 2O

b d e f g a x y

10.211.8613.5012.6

3.901.450.150.1

0.20.060.5

1.86

85.7086.6085.9085.40

21.06220.84117.56516.14

22.80624.00522.9122.70

14.0513.3

11.8012.70

42.12341.80

35.13432.306

Cálculo de las relaciones de aire/combustible con los coeficientes de la

reacción y los datos del laboratorio, así como la cantidad de carbono e

hidrógeno en el combustible.

GAS APROPANADO

ra/c_t = 15.6% exceso de aire

% de exceso de aire (Lab)

r a/c _rC (Kg C/ Kg Comb)

H (kg H/ Kg Comb) r a/c (lab)

14.8670

0.8002 0.1894 -4.356 12.5001 -19.8056

15.7160

0.7463 0.2055 0.7835 13.7803 -10.5624

15.7045

0.8135 0.1735 0.3963 15.6043 0.1745

16.708 0.8452 0.1763 7.5358 17.8035 14.6034

KEROSÉN

ra/c_t = 14.7% exceso de aire

% de exceso de aire (Lab)

r a/c _rC (Kg C/ Kg Comb)

H (kg H/ Kg Comb) r a/c (lab)

15.4467

0.8034 0.1945 5.06345 12.5001 -14.5913

15.0953

0.8355 0.1672 2.69352 13.8045 -5.54625

15.459 0.8623 0.1407 5.08934 15.8833 6.30455

17.5442

0.8635 0.1364 19.8045 17.9045 21.4056

Calor liberado por:

El Gas apropanado: 50264.5 KJ / Kg comb.

El Kerosén: 46276.23 KJ / Kg comb.

Calor cedido al agua de refrigeración (GLP)

m(Kg/hr)

mc(Kg/hr)

T entr. T sal. Q1 (KJ/Kg Comb)

950 11 17 80 23091.45

950 10 20 78 24179.35

950 9 21 74 25314.24

950 8 21 70 23856.90

Calor cedido al agua de refrigeración (Kerosén)

m(Kg/hr)

mc(Kg/hr)

T entr. T sal. Q1 (KJ/Kg Comb)

950 10 21 71 19894.54

950 9 21 68 20914.45

950 8 21 63 21316.90

950 7 21 57 20813.34

Calor cedido a los gases de escape (GLP)

T gas de

escapemg TBS C (Kg C /

KG Comb)Q2 (KJ/Kg

Comb)

720 14.0580

18.90

0.8002 9773.3432

698 14.8635 0.7463 9745.2314

660 15.0824 0.8135 9460.4884

621 16.1890 0.8452 9480.1256

Calor cedido a los gases de escape (Kerosén)

T gas de

escapemg TBS C (Kg C /

KG Comb)Q2 (KJ/Kg

Comb)

642 14.60454

18.90

0.8034 9390.53451

616 14.80543 0.8355 8936.05451

583 15.64427 0.8623 8884.60143

544 17.40436 0.8635 9460.5545

Calor cedido al agua formada por la combustión (GLP)

H (Kg H / Kg Comb ) Tpp Tc hfg pp

T gas escape

Presión Parc. (KPa)

Q3

0.1894 48.60 13 2385.235 720 11.435 6832.4546

0.2055 47.65 12 2383.980 698 11.0553 6950.9853

0.1735 48.64 12 2384.904 660 11.8054 5812.8035

0.1763 47.58 13 2382.435 621 11.0865 5620.3456

Calor cedido al agua formada por la combustión (Kerosén)

H (Kg H / Kg Comb ) Tpp Tc hfg pp

T gas escape

Presión Parc. (KPa)

Q3

0.1945 54.34 24 2340.653 642 16.4534 6450.3145

0.1672 52.89 24 2350.524 616 14.7456 5420.6472

0.1407 49.03 23 2380.543 583 11.5347 4205.5756

0.1364 47.36 23 2360.543 544 10.4556 4400.4562

Calor perdido por combustión incompleta (GLP)

% CO / (% CO + % CO2)

C (Kg C / Kg Comb) Q4

0.2034 0.8034 5180.4356

0.1045 0.7903 2020.5245

0.0345 0.8048 260.5345

0.0056 0.8575 148.5467

Calor perdido por combustión incompleta (Kerosén)

% CO / (% CO + % CO2)

C (Kg C / Kg Comb) Q4

0.08906 0.8123 1800.4356

0.02564 0.7942 548.8045

0.02054 0.8044 210.4356

0.03865 0.9024 899.3556

Calor Perdido por calentamiento de la humedad del aire (GLP)

T gas de

escape

Kg agua / Kg aire

r a/c M TBS Q5

720

0.0016

12.5001 0.257

18.90

315.432

698 13.7803 0.267 331.955

660 15.6043 0.280 360.789

621 17.8035 0.325 376.856

Calor Perdido por calentamiento de la humedad del aire (Kerosén)

T gas de

escape

Kg agua / Kg aire

r a/c M TBS Q5

642 0.0016 12.5001 0.245 18.90 293.643

616 13.8045 0.258 312.567

583 15.8833 0.305 334.633

544 17.9045 0.413 348.904

Calor perdido por radiación, convección y otros (GLP)

Q Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

50264.5

23080.406 9760.345 6850.897 5180.986 316.896 5070.533

24050.876 9740.536 6930.678 2038.987 330.453 7154.852

25320.345 9460.876 5790.345 280.876 360.532 8953.245

23860.986 9460.567 5640.567 160.876 370.742 10567.567

Calor perdido por radiación, convección y otros (Kerosén)

Q Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

46276.2

19870.425 9380.536 5890.560 1800.568 270.576 8046.987

20893.576 8850.567 6956.980 548.907 300.869 8607.578

21300.986 8890.456 5803.084 210.678 320.576 9730.566

2070.456 9470.457 5670.543 890.678 360.087 9120.567

RESUMEN DE RESULTADOS

Combust.Puntos r a/c

% exc aire

Q libera

do

% Q1

%Q2 %Q3 %Q4 %Q5 %Q6

GLP

112.5

-18.08

50264.5

43.90

20.56

12.70

10.6 0.7811.0

5

213.89

-10.7846.8

020.6

712.6

74.89 0.66

13.67

315.63

0.2052.6

719.8

011.6

80.34 0.74

16.87

417.86

14.8045.8

917.8

611.5

70.21 0.80

20.35

Kerosén 112.5

-14.6546276.2

341.8

718.5

613.6

74.06 0.56

16.67

213.89

-5.5344.5

621.8

714.6

71.56 0.60

18.90

3 15.63 6.20 46.80

20.67

13.67

0.67 0.63 20.38

417.857

21.7643.8

020.4

512.5

32.06 0.68

19.52

CONCLUSIONES

La cámara “Hilton”, es un equipo que nos permite realizar

múltiples pruebas referidas al uso adecuado de los combustibles.

Su uso demanda una instrucción previa del operario y ceñirse a los

manuales de uso de dicha cámara.

En la experiencia realizada se busco hallar la relación de aire y

combustible más óptima, para ello se emplearon dos tipos de

combustibles (gas Propano y Kerosene).

No se contó con el Analizador de Orsat, por lo cual, así que

tomamos el dato de una experiencia anterior, proporcionado por el

profesor.