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ANTEPROYECTO

1. TÍTULO DEL PROYECTO

“Diseño, construcción y pruebas de un quemador experimental tipo cañón de alta

presión de ACPM, para uso didáctico”.

2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

2.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

n el mercado existen quemadores para muc!as aplicaciones, desde dispositi"os

pequeños para uso dom#stico, !asta $randes equipos de uso industrial. stos

quemadores tienen ele"ados costos que no permiten que la pequeña y mediana

industria ten$an %ácil acceso a ellos, las cuales presionadas por la necesidad de

producir ener$&a calor&%ica, se "en obli$adas a !acer $randes in"ersiones para

este %in, ó %abricar sus propios dispositi"os quemadores de combustibles, en

al$unas ocasiones sin se$uir las instrucciones de un diseño pre"io de in$enier&a,

sino basándose en cálculos emp&ricos y ensayos de prueba y error.

'os en%rentamientos teóricos y emp&ricos !an arro(ado como resultado que la

me(or %orma de in"esti$ación y operación, es el tratamiento del problema de %orma

que la teor&a y la práctica se combinen y se ayuden mutuamente) el estudio

teórico aislado podrá pasar por alto "ariables medibles *nicamente en la práctica,

mientras que un análisis exclusi"amente emp&rico de(ará de apro"ec!ar

!erramientas que de%inen condiciones óptimas de %uncionamiento.

n este proyecto se pretende combinar las !erramientas teóricas y lasobser"aciones emp&ricas que se !an !ec!o y se encontraran y se encontraran

durante el diseño, construcción y pruebas de los sistemas del dispositi"o y del

quemador en s&.

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2.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA

+e propone diseñar y construir un quemador experimental tipo cañón de alta

presión, y por medio de al$unas pruebas sustentar el aporte de este estudio en laconstrucción de estos dispositi"os, para el me(or apro"ec!amiento de la ener$&a.

JUSTIFICACIÓN

'a producción de calor !ace parte de la mayor&a de procesos tecnoló$icos.

-eniendo en cuenta que el principal costo en la $eneración de calor estarepresentado por el combustible, el cual muestra un ala en los precios

si$ni%icati"a, es e"idente que cualquier es%uero que se !a$a para la optimiación

de dic!o proceso es una labor loable y económicamente sustentable.

Al$unas empresas por raones económicas emprende de manera emp&rica, el

diseño y construcción de sus propios quemadores, equipo principal en la

$eneración de calor, los equipos as& lo$rados por medio de un proceso de ensayo

y error a pesar de lo$rar me(oras posteriores en sus caracter&sticas, presentan

di%erencias notables.

s con"eniente poner un conocimiento se$uro y cient&%ico de diseño para que el

resultado constituya la me(or opción posible y las posibilidades disponibles serán

apro"ec!adas al máximo. +e propone entonces abordar el desarrollo de los

quemadores por medio de un proceso de diseño teórico y la comprobación del

lo$ro de las "ariables de diseño mediante un proceso experimental. +e plantea

aqu& poner en práctica las !erramientas obtenidas en nuestra %ormación como

in$enieros.

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/ OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar, construir y probar un quemador experimental tipo cañón de alta presión

de ACPM, para uso didáctico.

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

0. 1ealiar el análisis termodinámico y de trans%erencia de calor preliminar.

2. Diseñar el sistema de inyección de combustible.. Diseñar el sistema de alimentación de aire.

/. Diseñar el sistema de encendido del quemador.

3. Construir, seleccionar y ensamblar el sistema de inyección de combustible.

4. Construir, seleccionar y ensamblar el sistema de peraciónón de aire.

5. Construir el sistema de encendido del quemador.

6. nsamblar los sistemas de peración del quemador.

7. Probar y tomar los datos de %uncionamiento del quemador experimental.

08.Diseñar una práctica de laboratorio de t#rmicas.

3 MARCO TEÓRICO.

5.1 MARCO REFERENCIAL.

Desde tiempos pre!istóricos el %ue$o !a sido uno de los medios más "aliosos para

el !ombre, el %ue$o es una reacción qu&mica que se caracteria por la emisión decalor y lu acompañada de !umo y llamas .

sta reacción qu&mica es conocida como combustión, que es una oxidación en la

que !an de inter"enir, un material que se oxide al que llamamos combustible y un

elemento oxidante que llamamos comburente. Además debe disponerse de una

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cierta cantidad de ener$&a de acti"ación, !abitualmente calor. +e puede a%irmar

que el comburente más usado es el aire debido a su %acilidad de adquisición. 'os

combustibles pueden clasi%icarse, se$*n el estado en que se presentan, en9

- Combustibles sólidos9 leña, carbón "e$etal, carbón mineral, carbóncoque.

- Combustibles l&quidos9 $asolina, $asóleo, petróleo industrial, %uel:

oil, alco!oles.

- Combustibles $aseosos9 $as ciudad, $as natural, propano, butano,

acetileno.

n el %ue$o inter"iene, además de los tres elementos que le caracterian, la

"elocidad de oxidación. sta "elocidad es muy importante y mide ladescomposición del combustible por el calor, y la combinación de los productos de

descomposición con el comburente que dan lu$ar a los !umos y $ases. stas

combinaciones sucesi"as desprenden calor, que producen más descomposición

en el combustible obteni#ndose una reacción en cadena que auto:alimenta el

%ue$o.

l mane(o de tantas "ariables y el desarrollo de la industria presentó la necesidad

de diseñar un dispositi"o que !iciera la combustión de %orma controlada, práctica y

e%iciente. stos dispositi"os llamados quemadores son diseñados a partir del

estado del combustible que se desee quemar.

xisten di%erentes clasi%icaciones para quemadores de combustible l&quido, qu#

se$*n el requerimiento y uso que "allan a tener, +e destacan por su importancia

los de uso dom#stico, los de uso industrial y los experimentales.

stos quemadores se di"iden se$*n el modo de preparación de la mecla aire

combustible en "aporiadores y atomiadores, cuya %abricación se basa en el

principio de %uncionamiento, de los cuales nombramos los más comerciales acontinuación9

;uemadores dom#sticos de "aporiación9

• -ipo mec!a.

• -ipo camisa.

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• -ipo de pote y tiro natural.

• -ipo de pote y tiro %orado.

;uemadores dom#sticos e industriales de atomiación9

• Atomiación mecánica.

• Atomiación a presión.

• Atomiación ayudada por otro %luido. <aire ó "apor=.

>tra clasi%icación para quemadores dom#sticos e industriales de atomiación9

• -ipo rotati"o y llama contra la pared.

• -ipo cañón de alta presión.

• -ipo cañón de ba(a presión.

• -ipo unidad rotati"a de copa "ertical.

• -ipo !oriontal rotati"o.

'os quemadores industriales para combustibles l&quidos son $eneralmente de

atomiación, debido a los "ol*menes que deben mane(ar, mientras los

quemadores experimentales son el ob(eto de estudio de cualquier clase. ?no de

los dispositi"os más usados en el quemado de combustibles l&quidos es el de

cañón de alta presión, debido a su alta con%iabilidad y %uncionalidad mostrada en

la industria, por esta raón se decidió diseñar, construir y probar un quemador

experimental tipo cañón de alta presión para ACPM. @a que el quemador a

desarrollar será para uso didáctico, se tomarán como parámetros de diseño

aquellos que permitan cumplir con los ran$os de $asto de combustible y potencia

calor&%ica más ba(os existentes en el mercado.

5.2 MARCO CONCEPTUAL

ACPM, aceite combustible para motor tambi#n llamado combustible Diesel, se

obtiene por destilación directa del petróleo.

Atom!"#$%, %raccionar en pequeñas $otas el combustible para permitir quemarlo

con e%ecti"idad.

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Bom&", dispositi"o empleado para ele"ar, trans%erir o comprimir l&quidos.

C"'o( , es una %orma de ener$&a que se trans%iere entre dos sistemas debido a una

di%erencia de temperatura.

C"'o( )*+)#,-#o, cantidad de calor necesaria para ele"ar la temperatura de unaunidad de masa de una sustancia en un $rado.

C"'o( '"t)%t), relati"o a un cambio de estado, es la ener$&a t#rmica necesaria

para que un ilo$ramo de una sustancia cambie de un estado de a$re$ación a

otro.

Com&*t&'), sustancia que reacciona qu&micamente con otra sustancia para

producir calor, o que produce calor por procesos nucleares. l t#rmino combustible

se limita por lo $eneral a aquellas sustancias que arden %ácilmente en aire uox&$eno emitiendo $randes cantidades de calor.

Com&*t&')* -$*')*, sustancias ricas en ener$&a que se !an %ormado a partir de

plantas y microor$anismos enterrados durante muc!o tiempo. 'os combustibles

%ósiles, que incluyen el petróleo, el carbón y el $as natural, proporcionan la mayor

parte de la ener$&a que mue"e la moderna sociedad industrial.

Com&*t$%, proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un

aumento de calor y %recuentemente de lu. n el caso de los combustibles

comunes, el proceso consiste en una reacción qu&mica con el ox&$eno de la

atmós%era que lle"a a la %ormación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y

a$ua, (unto con otros productos como dióxido de au%re, que proceden de los

componentes menores del combustible.

G"* %"t("', mecla de $ases entre los que se encuentra en mayor proporción el

metano. +e utilia como combustible para usos dom#sticos e industriales y como

materia prima en la %abricación de plásticos, %ármacos y tintes. 'a proporción en la

que el metano se encuentra en el $as natural es del 53 al 73B del "olumen totalde la mecla <por este moti"o se suele llamar metano al $as natural=.

E-#)%#" /) '" #om&*t$%, es la relación de porcenta(e del calor que se extrae

de un combustible con el calor total que el mismo contiene.

E%)(0,", capacidad de un sistema %&sico para realiar traba(o.

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E%t(o+,", %unción de estado que mide el desorden de un sistema %&sico o qu&mico,

y por tanto su proximidad al equilibrio t#rmico.

/(o#"(&(o*, en qu&mica or$ánica, %amilia de compuestos or$ánicos que

contienen carbono e !idró$eno. +on los compuestos or$ánicos más simples ypueden ser considerados como las sustancias principales de las que se deri"an

todos los demás compuestos or$ánicos.

P)t($')o, l&quido oleoso bituminoso de ori$en natural compuesto por di%erentes

sustancias or$ánicas. -ambi#n recibe los nombres de petróleo crudo, crudo

petrol&%ero o simplemente “crudo”. +e encuentra en $randes cantidades ba(o la

super%icie terrestre y se emplea como combustible y materia prima para la

industria qu&mica.P()*$%, en mecánica, %uera por unidad de super%icie que e(erce un l&quido o un

$as perpendicularmente a dic!a super%icie.

)m"/o(3 dispositi"o que mecla y diri$e el %lu(o de combustible y aire, de tal

manera que ase$ure el encendido rápido y la combustión completa.

R)"##$% ,m#", proceso en el que una o más sustancias los reacti"os se

trans%orman en otras sustancias di%erentes los productos de la reacción.

T)(mo/%m#", campo de la %&sica que describe y relaciona las propiedades

%&sicas de la materia de los sistemas macroscópicos, as& como sus intercambios

ener$#ticos.

T("%*-)()%#" /) #"'o( , en %&sica, proceso por el que se intercambia ener$&a en

%orma de calor entre distintos cuerpos, o entre di%erentes partes de un mismo

cuerpo que están a distinta temperatura. l calor se trans%iere mediante

con"ección, radiación o conducción.

V"#,o, se$*n la de%inición más estricta, espacio absolutamente libre de materia.

Vo'm)%, de una %i$ura tridimensional, es el n*mero que indica la porción deespacio que ocupa. +e expresa en unidades c*bicas.

)m"/o( t+o #"6$% /) "'t" +()*$%, dispositi"o quemador que utilia ener$&a

mecánica de un atomiador, para ayudar al calor irradiado por la llama y a los

componentes de la cámara de combustión a "aporiar al combustible. ste

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sistema consiste de una bomba para el combustible, "ál"ula re$uladora de

presión, "ál"ula de cierre, tobera de atomiación, "entilador para el sistema de

inyección de aire y un monta(e de electrodos el#ctricos para el encendido. l

"entilador y la bomba se conectan por lo $eneral directamente al motor. 'astoberas atomiadoras se suministran para que resulten adecuadas a la instalación

del caso con respecto al án$ulo de roc&o y capacidad. l quemador de cañón de

alta presión roc&a al combustible en %orma de $otas diminutas directamente a la

corriente de aire en la cámara de combustión.

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UEMADOR TIPO CA7ON A ALTA PRESION

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4 DISE7O METODOLÓGICO.

8.1 FUENTES PRIMARIAS Y SECUNDARIAS.

4.0.0 Primarias.

Acceso permanente al laboratorio de t#rmicas, laboratorio de modelos, taller de

soldadura y de máquinas !erramientas, salas de cómputo de la acultad de

En$enier&a Mecánica de la ?ni"ersidad -ecnoló$ica de Pereira y a la %ábrica de

producción productos “'o!am”, Circasia ;uind&o.

4.0.2 +ecundarias.

Asesor&a por parte de los pro%esores de la acultad de En$enier&a Mecánica de la?ni"ersidad -ecnoló$ica de Pereira y del En$. Fos# E$nacio Guertas pro%esor del

Departamento de En$enier&a Mecánica ?ni"ersidad de los Andes, Ho$otá) acceso

a los textos y experiencias concernientes a los quemadores.

8.2 INSTRUMENTOS DE RECOLECCION DE DATOS

-ablas, planos t#cnicos, computador.

8.9 INSTRUMENTOS DE MEDICION

Enstrumentos de medición de laboratorio de t#rmicas, instrumentos de la planta de

producción productos “'o!am”, como termopares, medidores de %lu(o, medidores

de presión, termómetros.

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5 ESUEMA TEM:TICO

EI-1>D?CCE>I

CAPE-?'> 09 Marco teórico.0.0.1eseña !istórica.

0.2.-ipos de quemadores.

0..-ipos de combustibles.

0./. Aplicaciones.

CAPE-?'> 29 Análisis teórico.

2.0.Determinación de los parámetros de diseño.

2.2.studio termodinámico. 2..studio de trans%erencia de calor.

CAPE-?'> 9 Diseño y manu%actura del quemador

.0.Diseño del sistema de inyección del combustible.

.2.Diseño del sistema de alimentación de aire.

..Diseño del sistema de encendido del quemador.

./.Diseño en con(unto del dispositi"o quemador.

.3.>btención de las pieas, !erramientas, instrumentos y materiales

necesarios para la construcción del quemador.

.4.Construcción y ensamble del sistema de inyección del combustible.

.5.Construcción y ensamble del sistema de alimentación de aire.

.6.Construcción y ensamble del sistema de encendido del quemador.

.7.nsamble %inal del quemador experimental.

CAPE-?'> /9 Prueba del quemador

/.0.Diseño de pruebas.

/.2.-oma de datos.CAPE-?'> 39Conclusiones y recomendaciones.

3.0.Conclusiones.

3.2.1ecomendaciones.

CAPE-?> 49Diseñar una práctica para el laboratorio de t#rmicas.

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6 PERSONAS UE PARTICIPAN EN EL PROYECTO

DE1C->19Fuan steban -ibaquirá J. EM, M+c.

Pro%esor auxiliar.

acultad de En$enier&a Mecánica.

?ni"ersidad -ecnoló$ica de Pereira.

A++>1+9

Fos# E$nacio Guertas C. EM, M+c, D+c.Pro%esor asociado.

Departamento de En$enier&a Mecánica.

?ni"ersidad de los Andes. Ho$otá.

Fuan Manuel Carmona 'eón. -M, EM.

Propietario.

Productos “'o!am”.

FC?->1+9

Andr#s Antonio Acosta >sorio.

Mauricio @ilmer Carmona Jarc&a.

studiantes acultad de En$enier&a Mecánica.


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7 RECURSOS DISPONIBLES

MA-1EA'+9

Gerramientas e instrumentos de medición del laboratorio de t#rmicas de la

%acultad de in$enier&a mecánica de la ?ni"ersidad -ecnoló$ica de Pereira.

Gerramientas, instrumentos, pieas y materiales de la %ábrica de producción

“P1>D?C->+ '>GAM”.

Documentación de la biblioteca For$e 1oa Mart&ne de la ?ni"ersidad

-ecnoló$ica de Pereira.

1ecursos del centro de documentación de la %acultad de in$enier&a

mecánica de la ?ni"ersidad -ecnoló$ica de Pereira. Apuntes personales.

Papeler&a en $eneral.

EI+-E-?CE>IA'+9

+ala de computo de la %acultad de in$enier&a mecánica de la ?ni"ersidad

-ecnoló$ica de Pereira.

Planta de producción “P1>D?C->+ '>GAM”. 'aboratorios y talleres de la acultad de En$enier&a Mecánica de la


EIAICE1>+9

Presupuesto9

Homba9 K388.888.

Hoquillas9 K38.888.

C!asis y carcasa9 K088.888.

lectrodos9 K68.888.

Motor el#ctrico9 K88.888.

Papeler&a9 K288.888.

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-emporiador9 K58.888.

-rans%ormador9 K088.888.

Lentilador9 K088.888.

-otal9 K0.388.888.

I>-A9 'os costos anteriores se tomaron para un quemador comercial con una

bomba existente en el mercado de ba(o %lu(o másico como parámetro de diseño,

de este se !ace el estimati"o para los demás elementos de cada uno de los

sistemas.

'a cotiación anterior %ue !ec!a para elementos nue"os, en el caso de comprar

elementos de se$unda los costos disminuirán en un /8B.l proyecto se %inanciará con recursos propios.

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08 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES

-emaec!a Fun 03:8 Ful 0:03 Fu03:0 A$os 0:4 A$os 5:07 A$os28:24

1e". Hiblio$. AnteproyectoEntroducciónCAP 0CAP 2CAP CAP /CAP 3CAP 4lab. Del doc.+ustentación

-emaec!a A$os 25:+ept 7

+ept08:8

>ctubre Io"iembre Diciembre

nero

1e". Hiblio$. AnteproyectoEntroducciónCAP 0CAP 2CAP CAP /

CAP 3CAP 4lab. Del doc.+ustentación

-emaec!a ebrero Maro May 0:28

May 20:Fun 2

Fun :04 Fun 05:8

1e". Hiblio$. AnteproyectoEntroducciónCAP 0

CAP 2CAP CAP /CAP 3CAP 4lab. Del doc.

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+ustentación

00 BIBLIOGRAFÍA

N0O G1IAID, 1oberto. Metodolo$&a de la En"esti$ación. M#xico. Mc JraQ Gill.

0770.

N2O H?1RGA1D-, C!arles. Domestic and Commercial >il Hurners9 Enstallacion and

+er"icin$. stados ?nidos. Mc JraQ Gill. 0740.

NO LAI S@'I, Jordon F. undamentos de -ermodinámica. ditorial 'imusa.

0745.

N/O CIJ', @anus A. -ermodinámica L0, L2. M#xico. Mc JraQ Gill. 0774.

N3O Aceite Combustible, 'a ener$&a má$ica. -!e -exas Company. 0736.

N4O Acuerdo 843, Conse(o Acad#mico ?ni"ersidad -ecnoló$ica de Pereira.

Dic 0775.

N5O QQQ.ecopetrol.com.coprinre"ieQcartano"77tecno.!tm

N6O QQQ.eusalnet.netm.ubiriaarticulos.!tm

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DE+T>, C>I+-1?CCEUI @ P1?HA+ D ?I ;?MAD>1 -EP> CATUI D A'-A P1+EUI D ACPM, PA1A ?+> DEDVC-EC>.

Andr#s Antonio Acosta >sorio.Mauricio @ilmer Carmona Jarc&a.

Anteproyecto de Jrado.

Director9

En$. Fuan steban -ibaquirá J.

?IEL1+EDAD -CI>'UJECA D P1E1A.acultad de En$enier&a Mecánica.

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P1E1A F?'E> D' 2882

DE+T>, C>I+-1?CCEUI @ P1?HA+ D ?I ;?MAD>1 -EP> CATUI D A'-A P1+EUI D ACPM, PA1A ?+> DEDVC-EC>.

Andr#s Antonio Acosta >sorio.Mauricio @ilmer Carmona Jarc&a.

?IEL1+EDAD -CI>'UJECA D P1E1A.acultad de En$enier&a Mecánica.

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P1E1A F?'E> 2882

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