El presente informe es dedicado

a nuestros padres, cuyo esfuerzo

hacen posible la realización de

nuestros estudios.

CAPITULO I

1.1.-INTRODUCCIÓN

El laboratorio de cámara de combustión Hilton, permite a los estudiantes investigar

algunos aspectos de la combustión y operaciones de quemado utilizando quemadores

típicamente de uso comercial. Los aceites o el gas ligeros se pueden quemar usando el

quemador apropiado en que las unidades son especificadas. Al ser montado

completamente, requieren solamente agua que se enfría convencionalmente, una

fuente eléctrica monofásica y el combustible elegido apropiadamente. Pues un propósito

para la cual se construyó la unidad del calentamiento fue diseñado para la operación

supervisada del estudiante incluyendo varias características de seguridad. Un mando

sostiene el analizador digital del gas provisto que permite que el contenido oxigeno así

como la del humo sea determinado y ésta alternadamente permite el cálculo del

cociente, del aire de sus excesos y de la eficacia aire/combustible de la combustión.

Para los estudiantes avanzados o para la investigación, un analizador alto del gas de la

especificación opcional que está disponible permite la investigación del CO, de NO y de

la SO2 en adición al análisis estándar .La unidad será de interés amplio a todo el ésas

referidas a la combustión de combustibles y de la conservación de la energía, tanto para

el técnico del mantenimiento de los quemadores como para los ingenieros de la

investigación y de prueba.

A pesar de la contribución de las fuentes de energía renovables nuclear, hidroeléctrica,

solar, eólica y demás, la mayor parte de la energía sigue derivándose de la combustión

de hidrocarburos.

Estos combustibles tienen un límite de existencia y es de vital importancia que se usen

eficientemente para conservar los recursos y reducir la polución. Una comprensión

adecuada de los factores que afectan la combustión eficiente de los combustibles es por

lo tanto esencial para toda persona involucrada en el estudio del uso de la energía.

El Grupo.

1.2.-OBJETIVOS

Hacer un análisis del comportamiento de la combustión.

Encontrar la mejor relación de aire combustible.

Conocer la distribución del calor generado por el combustible.

Aprender las técnicas para encontrar las distintas perdidas de calor (balance térmico).

CAPITULO II

2.-FUNDAMENTO TEÓRICO

2.1.- Combustión

Es una reacción química de oxidación de los hidrocarburos. Para que se de la

combustión debe existir:

Combustible (kerosene, GLP, etc.)

Comburente.

Temperatura inicial apropiada para iniciar la combustible.

2.2.- Proceso de Combustión

Hay que considerar algunas cuestiones previas

Ecuación de reacción

Es la expresión cuantitativa de las sustancias que intervienen en la reacción

Balanceo de ecuaciones

Usando la base molar o volumétrica

Combustión completa

Es la combustión cuyos productos no se encuentra el monóxido de carbono (CO).

Combustión incompleta

Es aquella cuyos productos se encuentra el monóxido de carbono (CO). La

combustión incompleta se debe a tres causas:

Insuficiencia de Oxígeno.

Mezcla imperfecta entre el Oxígeno y el combustible.

Temperatura demasiado baja para mantener la combustión.

Comburente

El oxígeno necesario en la combustión lo pone el aire. El aire atmosférico está

compuesto por: (composición en volumen)

N2 → 78%

O2 → 21%

Otros → 1%

Por razones prácticas se considera que se tiene: N2 → 79% , O2 → 21%

Así por cada Kmol de O2 se tiene: 79/21 =3.76 Kmol de N2

Aire estequiométrico

Es la cantidad de aire estrictamente necesario para la combustión completa.

Relación Aire – Combustible

Es la razón teórica entre masa (o moles) de aire teórico y la masa (o moles) de

combustible.

ra /c=

maire

mcomb

Kg - aireKg - combustible

2.3.- Poder calorífico

Es la máxima cantidad de calor que puede transferirse de los productos de la

combustión completa, cuando estos son enfriados hasta la temperatura de los

reactantes y se expresa KJ / Kg.comb

Poder calorífico alto

Es el que se obtiene cuando el vapor de agua formado durante la combustión se

condensa totalmente, al enfriarse los productos hasta la temperatura de los productos

Poder calorífico bajo

Es el que se obtiene cuando el vapor de agua no se condensa al enfriarse los

productos hasta la temperatura de los reactantes.

2.4.-VOLUMEN DE AIRE MÍNIMO POR kg DE COMBUSTIBLE

Existen fórmulas empíricas que permiten calcular el volumen de aire necesario por kg de

combustible, en función de la potencia calorífica inferior Pci del mismo.

Para los combustibles sólidos: V aire min=(1 . 01P1

1000+0 . 5)⋅m3

kg

Para los combustibles líquidos: V aire min=( 0.85 P1

1000 )⋅m3

kg

La cantidad de aire determinada en estos casos, es la cantidad estricta mínima de aire

necesaria (condición estequiométrica), para que se verifique la combustión total. En la práctica

es preciso tomar una cantidad mayor que la teórica, para que la combustión sea lo más

perfecta posible.

CAPITULO III

3.-EQUIPOS UTILIZADOS

Para la toma de medidas se tendrán en cuenta en este laboratorio los siguientes equipos a utilizar:

CÁMARA HILTON:

Continuos Combustion Unit

Serial Nº 4923

P.A. Hilton LTD. ENGINEERS

SOUTHAMPTON AIRPORT ENGLAND

Fig.1 Cámara Hilton

VENTILADOR CENTRÍFUGO:

B y C: tipo Y3/100 de tres etapas

Marca TORNADO

No. de serie: 899799/1

Capacidad: 136 Kg/hr a 570mm de H2O

Con motor eléctrico No. 02041 – 890051

220V - 3Ø – 60 Hz – 13.5 Amp. – 5 Hp

3400 RPM

Fig.2 Ventilador centrifugo

TERMOCUPLAS: Que medirá las temperaturas en el panel digital.

Fig.3 Termocuplas

MEDIDORES DE FLUJO DE MASA: Aire, combustible y agua.

Fig4 Medidor de flujo

TANQUE DE COMBUSTIBLE: Combustible a utilizar Diesel 1 (Kerosene).

Fig.5 Tanque de combustible

ACCESORIOS: Tuberías, placa orificio, etc.

Fig.6 Accesorios (tuberías, placa, orificios)

3.1.- ESQUEMA DE INSTLACION

Fig.7 Esquema de instalación de la cámara Hilton

-

CAPITULO IV

PROCEDIMIENTO PARA LA EXPERIENCIA

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

2.- Se escoge un flujo de combustible . 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).

CAPITULO V

5.1. Datos

- Combustible, aire gas, agua

pto r a/c Mc Tc Ma T aireTgas

esṁ

H20Te

entr Ts sal CO2 O2 CO N2

n° kg/hr °C kg/hr °C °C kg/hr °C °C % % % %

1 12.273 11 21 135 34 733 1052 25 82 10 0.3 4.2 85.5

GLP2 12.981 10.4 21 135 35 702 1060 26 81 11 0.2 3 85.8

3 14.211 9.5 21 135 35 668 1060 26 76 12.5 0.2 1 86.3

4 16.071 8.4 21 135 35 626 1050 26 72 13.7 0.5 0.1 85.7

1 12.6 10 29 126 35 597 1050 26 69 13.2 0 1.2 85.6

DIESEL 2

2 14.111 9 30 127 36 578 1050 26 65 14.4 0 0.4 85.2

3 15.875 8 30 127 36 542 1050 26 61 14.2 1.8 0.2 83.8

5.2. Cálculos

I) Cálculos previos, para un punto cualquiera

Ejemplo:

Trabajando con propano

Determinación de la relación aire combustible

ra /c=maire

mcomb

ra /c=135kg /h11kg /h

=12 . 27kg−a

kg−comb

Determinación de los gases de escape en su composición

De la gráfica análisis de gases de escape

Para ra/c = 12.27

%CO 2=10.12%CO=4 .31%O2=0 .35

Nota: De la gráfica se obtienen los resultados en seco, o sea que la diferencia para

que alcance el 100% de los productos corresponde al %N2. El H2O se obtiene

balanceando la reacción química.

Balanceando la reacción química

C14 . 43 H 40 .15+22 .766 (O2+3 .76 N 2)→10 .12CO2+4 .31CO+0.35O2+20 .07 H2O+85 . 22N2

Cantidad de carbón e hidrogeno en el combustible

C=12×X12×X+1×Y

C=12×14 . 4312×14 . 43+1×40. 15

=0 .811kgC

kgcomb

H= 1×Y12×X+1×Y

H= 1×40 . 1512×14 . 43+1×40 .15

=0 . 1887kgH

kgcomb

II) Balance térmico

Calor cedido al agua de refrigeración

Q 1=magua

mcomb

×Ca×(Tsal−Tent )

Ca=4 .18 kJ /kg−K, calor especifico del agua.

Calor cedido a los gases de escape

m g=4×(%CO 2 )+(%O2 )+700

3×(%CO 2+%CO )×C

,

m g : Masa de gases de escape kg/kg_comb

Q 2=m g×Cpg× (Tg−Taire ),

Cpg=1 .003 kJ /kg−K, Calor especifico de los gases

Calor cedido al agua formada por la combustión

PPH 2O=%H 2O

100+%H 2O×Patm→PPH 2 O=

20 . 07100+20 . 07

×1bar=0 . 167bar

De tablas termodinámicas para líquido saturado a 0.167bar

Tsat = 56.41 °C hfg = 2367.18 kJ/kg°C

Q 3=9H×[4 . 18× (Tsat−Tcom )+hfg+1 . 932×(Tg−Tsat ) ]

Donde:

9H: cantidad de agua formada, considerando que: 1kg de H2 es formar 9 kg de H2O.

Calor perdido por combustión incompleta

Q 4=% CO% CO2+%CO

×23663×C

Calor perdido por calentamiento de la humedad del aire

TBS = 12 °C TBH = 61°F

w = 0.01 kg vapor / kg aire

Q 5=w×ra/c×Cpv×(Tg−TBS )

Calor perdido por radiación, convección y otros

PCPROPANO=50264.5 kJ/kg comb

Q 6=PC−∑i=1

5

Qi

5.3. ANALISIS DE LOS RESULTADOS

5.3.1.TABLAS: TABLA N°1

- Calculo de coeficientes de las ecuaciones de reacción

FORMULA GENERAL

CxHy +a(O

₂

+3.76N

₂

) → b(CO

₂

) + c(O

₂

) + d(CO) + e(N

₂

) + f(H

₂

O)

PROPANO

b c d e a f x y

10 0.3 4.2 85.5 22.739 20.6787 14.2 41.357

11 0.2 3 85.8 22.8191 20.2382 14 40.476

12.5 0.2 1 86.3 22.9521 19.5042 13.5 39.008

13.7 0.5 0.1 85.7 22.7925 17.0851 13.8 34.17

FORMULA GENERAL

CxHy +a(O

₂

+3.76N

₂

) → b(CO

₂

) + c(O

₂

) + d(CO) + e(N

₂

) + f(H

₂

O)

DIESEL

b c d e a f x y

13.2 0 1.2 85.6 22.76 17.93 14.4 35.863

14.4 0 0.4 85.2 22.659 16.11 14.8 32.238

14.2 1.8 0.2 83.8 22.287 12.374 14.4 24.748

TABLA N°2

- Calculo de las relaciones de aire/comb con los coef. de la reacción y

de los datos de laboratorio, así como la cantidad de carbono e

hidrogeno en el combustible

PROPANO

r (a/c)t = 15.6%exceso

de%exceso

de

r (a/c)rC(kg C/kg

Comb)H (kg H/kg

Comb)aire

R a/c (lab)

aire (lab)

14.7416 0.804 0.1953 -5.502 12.272 -21.33

15.026 0.8058 0.194 -3.678 12.98 -16.794

15.675 0.805 0.194 0.482 14.21 -8.91

15.662 0.828 0.171 0.402 16.071 3.019

DIESEL

r (a/c)t = 14.7 %exceso de %exceso de

r (a/c)r C(kg C/kg Comb)H (kg H/kg

Comb)aire

R a/c (lab)

aire (lab)

14.977 0.828 0.1718 1.829 12.6 -14.28

14.82 0.846 0.1536 0.786 14.11 -4.006

15.48 0.874 0.125 5.297 15.875 7.993

TABLA N°3

-Calor liberado por: CALOR CEDIDO AL AGUA DE REFRIGERACION

PROPANO

N° ṁ (kg/h) mc (kg/h) T ent T sal Q1 (kj/kg Comb)

1 1052 11 25 82 22786.32

2 1060 10.4 26 81 23432.11538

3 1060 9.5 26 76 23320

4 1050 8.4 26 72 24035

DIESEL

N° ṁ (kg/h) mc (kg/h) T ent T sal Q1 (kj/kg Comb)

1 1050 10 26 69 18872.7

2 1050 9 26 65 19019

3 1050 8 26 61 19201.875

TABLA N°4

- CALOR CEDIDO A LOS GASES DE ESCAPE

PROPANO

N° Tgas escap mg TBS C(kg C/kg Comb) Q2 (kJ/kg Comb)

1 733 13.9718 23 0.804 9949.78

2 702 14.278 23 0.8058 9723.852

3 668 14.9113 23 0.805 9646.695

4 626 15.106 23 0.828 9136.244

DIESEL

N° Tgas escap mg TBS C(kg C/kg Comb) Q2 (kJ/kg Comb)

1 597 14.43 23 0.828 8308.16

2 578 14.441 23 0.846 8039.13

3 542 15.36 23 0.874 7995.88

TABLA N°5

-CALOR CEDIDO AL AGUA FORMADA POR LA COMBUSTION

PROPANO

N° H (kg H/kg Comb) Tpp Tc hfgp.p. Tgas escape Pres Parc(kpa) Q3

1 0.1953 56.846 21 2366.014 733 17.362 6707.55

2 0.194 56.471 21 2366.938 702 17.054 6558.95

3 0.194 55.842 21 2368.489 668 16.537 6445.024

4 0.171 53.619 21 2373.9471 626 14.785 5557.303

DIESEL

N° H (kg H/kg Comb) Tpp Tc hfgp.p. Tgas escape Pres Parc(kpa) Q3

1 0.171 54.457 29 2371.9 597 15.4067 5447.466

2 0.153 52.444 30 2376.78 578 14.065 4813.537

3 0.125 47.6993 30 2388.23 542 11.157 3847.958

TABLA N°6

-CALOR PERDIDO POR COMBUSTION INCOMPLETA

PROPANO

N° %CO/(%CO+%CO2) C(kg C/kg Comb) Q4

1 0.295774648 0.804 5627.1281

2 0.214285714 0.8058 4085.924

3 0.074074074 0.805 1411.0159

4 0.007246377 0.828 141.978

DIESEL

N° %CO/(%CO+%CO2) C(kg C/kg Comb) Q4 KJ/kg Comb

1 0.083 0.828 1632.99

2 0.027 0.846 541.28

3 0.0138 0.874 287.47

TABLA N°7

-CALOR PERDIDO POR CALENTAMIENTO DE LA HUMEDAD DEL AIRE

PROPANO

N° T gas escape kg agua/ kg aire R a/c M TBS Q5 kJ/kg Comb

1 733 0.019 12.272 0.233 23 318.37

2 702 0.019 12.98 0.2466 23 322.035

3 668 0.019 14.21 0.27 23 334.89

4 626 0.019 16.071 0.3053 23 354.082

DIESEL

N° T gas escape kg agua/ kg aire R a/c M TBS Q5 kJ/kg Comb

1 597 0.019 12.6 0.2394 23 264.25

2 578 0.019 14.11 0.268 23 286.14

3 542 0.019 15.875 0.301 23 301.032

TABLA N°8

-CALOR PERDIDO POR RADIACION, CONVECCION Y OTROS

PROPANO

N° QL Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 KJ/Kg Comb

1 50264.5 22786.32 9949.78 6707.552 5627.128 318.37 4875.34

2 50264.5 23432.115 9723.85 6558.955 4085.924 322.035 6141.61

3 50264.5 23320 9646.69 6445.024 1411.0159 334.89 9106.87

4 50264.5 24035 9136.24 5557.303 141.978 354.082 11039.89

DIESEL

N° QL Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 KJ/Kg Comb

1 46276.2 18872.7 8308.167 5447.466 1632.99 264.25 11750.61

2 46276.2 19019 8039.131 4813.537 541.28 286.145 13577.1

3 46276.2 19201.87 7995.882 3847.958 287.47 301.032 14641.97

TABLA N°9

-TABLA DE RESULTADOS

combust. punto R a/c %exc aireQ

liberado %Q1 %Q2 %Q3 %Q4 %Q5 %Q6

1 12.272 -5.502 45.33283 19.79485 13.34451 11.19503 0.63339 9.699388

2 12.98 -3.678 50264.5 46.61762 19.34537 13.04888 8.128846 0.640681 12.2186

Propano 3 14.21 0.482 46.39457 19.19187 12.82222 2.807182 0.666256 18.1179

4 16.071 0.402 47.81705 18.17634 11.05612 0.282462 354.0826 21.96359

1 12.6 1.8299 40.78273 17.95342 11.77163 3.528801 0.571028 25.39247

Diesel 2 14.111 0.786 46276.23 41.09888 17.37205 10.40175 1.169683 0.618343 29.3394

3 15.875 5.2975 41.49406 17.2786 8.315194 0.621224 0.650513 31.64053

5.4. GRAFICOS

- %CO2 VS R a/c - PROPANO

10 11 12 13 14 15 16 170

6

12

18

Grafico N°1

- %O2 vs R a/c - PROPANO

10 11 12 13 14 15 16 170

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

Grafico N°2

- %CO VS R a/c - PROPANO

10 11 12 13 14 15 16 170

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Grafico N°3

- %CO2 VS R a/c – DIESEL

12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.512.5

13

13.5

14

14.5

Grafico N° 4

- %O2 vs R a/c – PROPANO

12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 16 16.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

Grafico N°5

- %CO VS R a/c – PROPANO

12 12.5 13 13.5 14 14.5 15 15.5 160

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Grafico N°6

CAPITULO VI

6.1. CONCLUSIONES

Al realizar los cálculos y obtener “x” e “y” de la formula química para el combustible

(CxHy), se obtuvo valores diferentes para diferentes valores de relación aire combustible,

esto se debe posiblemente a que la mezcla no es homogénea.

De los cálculos se observa que de todos los calores, el calor útil es el mayor de ellos, que

viene dado por el calor cedido al agua por los gases así también se observó el menor de

todos los calculados es el calor perdido por calentamiento de la humedad. De esta manera

se evidencia que el uso de la Cámara de Combustión Hilton estaría bien aprovechado

utilizándolo para calentar el agua en un caldero, pues se estaría aprovechándose hasta el

50% de la energía que genera el combustible.

Se observa de los cálculos un comportamiento creciente del calor absorbido por el agua

conforme aumenta la relación Raire /comb , para ambos casos tanto el Diesel como el del

propano. Sin embargo no se puede empobrecer mucho la mezcla pues como se dijo una

mezcla pobre aumenta la generación de NOx.

Se observo que para ambos combustibles (PROPANO Y DIESEL) aumentan los

porcentajes de CO2 al aumentar la relación de aire – combustible, sin embargo se pudo

observar que el Diesel tiene un porcentaje ligeramente mayor.

En la mayoría de los casos, ya sea con propano o Diesel, se aprecia que la perdida de

calor por combustión incompleta se presenta en pequeños porcentajes. Esto nos indica

que en la mayoría de las relaciones aire-combustible se produjo una combustión con la

suficiente cantidad de aire para ser completa.