Cámara de Combustión Hilton

CAMARA DE COMBUSTIÓN CONTINUA A PRESIÓN CONSTANTE " HILTON "

1. OBJETIVO

- Hacer un análisis del comportamiento de la combustión.

- Establecer un balance térmico del proceso de combustión.

2. EQUIPOS E INSTRUMENTOS:

Quemador: Puede ser utilizado en forma independiente con gas, kerosene o una

combinación de ambos.

Cámara de combustión: Constituida por:

- Cámara refractaria.

- Cámara de combustión.

- Chimenea.

- Visores.

- Orificio del tubo muestreador.

- Bujía de ignición.

Ventilador centrífugo.

Sistema de combustión:

- Circuito de combustible liquido (kerosene).

- Circuito de combustible gaseoso (propano).

Sistema de aire.

Sistema de refrigeración:

- Circuito de refrigeración de la cámara.

- Circuito de refrigeración del tubo muestreador

Panel de control.

Tanques de combustible:

- Gas propano.

- Kerosene.

Termómetro Digital, donde se tomaran los datos de:

- Temperatura de ingreso del aire.

- Temperatura de ingreso del agua.

- Temperatura de los gases.

- Temperatura de salida del agua.

Rotámetros

3. BREVE FUNDAMENTO TEÓRICO

Combustibles:

Los combustibles utilizados para el consumo de energía en el campo industrial y uso doméstico,

se clasifican en: Sólido, Líquidos y gaseosos.

Combustibles sólidos Combustibles líquidos Combustibles gaseosos

Carbón, hulla, coque,

Minerales antrancita, grafito,

Sólidos lignito, turba,

asfaltita.

Vegetales Leña, carbón de

leña, bagazo.

Petróleo y Gasolina, kerosene,

derivados petróleo diesel,

Líquidos aeronafta, etc.

de madera Alcoholes, de

cereales de caña

Gas licuado de petróleo (GLP)

Gas natural

Gas artificial

Gas asociado

Bio-gas

Cabe mencionar que se debe tener en cuenta las siguientes definiciones:

Reactivos

Son las sustancias que ingresan a la combustión, como el combustible y carburante (es la

sustancia que provoca la combustión o la activa).

Productos

Son las sustancias que resultan del proceso de combustión.

Combustión completa

Es aquella en la que todos los elementos oxidantes del combustible se oxidan completamente.

Combustión ideal

Es aquella combustión completa en la que el oxígeno suministrado es el mínimo indispensable.

Se entiende que todas las condiciones para tal cosa suceda, se dan durante el proceso.

Combustión incompleta

Es aquella que en sus productos hay elementos o sustancias combustibles como CO o

"combustible vivo". La mayoría de los procesos reales de combustión tiene un cierto grado

de incompletitud.

Aire estequeométrico

Se le denomina también aire teórico. Es la cantidad de aire que proporciona el oxígeno

estrictamente necesario para la oxidación completa de los elementos oxidables del

combustible.

Mezcla estequiométrica

Es aquella que guarda las proporciones correspondientes al aire estequeométrico (el que

una mezcla sea estequeométrica, no indica que la combustión sea necesariamente

completa).

Relación aire-combustible

Es el cociente entre la masa de aire y la masa de combustible utilizado en la combustión.

Mezcla rica

Es la que contiene una cantidad de aire menor que la estequeométrica (aire en defecto).

Mezcla pobre

Es aquella que contiene una cantidad de aire mayor que la estequeométrica o que en

términos relativos es pobre en combustible.

Con respecto a las distintas cámaras de combustión y tipos de quemadores su propósito

principal es mezclar y dirigir el flujo de combustible y aire de tal manera que se asegure el

encendido rápido y la combustión completa.

Unos de los combustibles más utilizados es el carbón y su modo de quemar mas utilizado

por alimentación con aspersión, alimentación con punto de inyección y por pulverizado.

El rango de uso de la unidad de instrucción Hilton es extenso, desde una prueba simple

pero efectiva para operarios de calderos, hasta desarrollo de proyectos de investigación. La

cámara de combustión Hilton es una cámara de combustión a presión constante.

4. PROCEDIMIENTO

Drenar el condensado de la cámara, sacando el tapón ubicado en la parte interior.

Asegurarse que haya suficiente combustible.

Abrir lentamente la válvula de control de aire y dejarla totalmente abierta durante un lapso de

tiempo, para desalojar posibles gases residuales de experiencias anteriores.

Regular el flujo de agua a 1000 kg/hr.

Abrir el agua de refrigeración para el tubo muestreador.

Regular el flujo de aire a 130 kg/hr.

Se oprime el botón de ignición y la vez se abre la válvula de control de gas en forma lenta

hasta conseguir le encendido.

Se abre la válvula general de combustible (kerosene) situada en la tubería de suministro.

Se abre la válvula de control de kerosene en forma lenta hasta un flujo adecuado, y

simultáneamente se cierra la válvula de control del gas hasta un flujo de adecuado con lo que

la combustión es estable.

Luego se sigue abriendo la válvula de control de kerosene en forma lenta con un flujo de 10

kg/hr, y simultáneamente se cierra completamente la válvula de control del gas, con un flujo

de 8 kg/hr hasta que la combustión sea estable, se reduce el flujo a 2 kg/hr.

Luego se toman los datos correspondientes para el flujo anterior y para 9, 8 kg/hr.

La temperatura de salida del agua de refrigeración no debe ser mayor de 85°C, ni menor de

60°C.

En procedimiento es el mismo tanto para el gas propano con el kerosene.

Datos a tomar:

- Relación aire combustible.

- Temperatura de ingreso del aire (C).

- Temperatura de ingreso del agua (C).

- Temperatura de salida del agua (C).

- Temperatura de los gases (C).

- Flujo de masa de agua (kg/hr).

- Flujo de masa de combustible (kg/hr).

- Flujo de masa de aire (kg/hr).

El calor liberado por el combustible al quemarse en la cámara será cedido a:

a) Calor cedido al agua de refrigeración que circula por la camiseta de la cámara.

b) Calor cedido a los gases de escape que se van por la chimenea

c) Calor cedido al agua formada durante el proceso de combustión.

d) Calor dejado de recibir a causa de una combustión incompleta.

e) Calor cedido por calentamiento de la humedad del ambiente.

f) Calor cedido al agua de refrigeración que circula por la camiseta de la cámara.

g) Calor que se pierde por radiación, convección y otras pérdidas no valuables.

DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO

Comb. Pto

M

combustible

Kg/h

mH2O

Kg/h

maire

Kg/h

TH2O

(T3°C)

Ingreso

TH2O

(T4°C)

Salida

Tgases

(T2°C)

Taire

(T1°C)

Tcomb

(T5°C)

Tkerosene

(T6°C)ra/c

Propano

1 11.2 1000 129 21 85 722 32 17 ___ 11.517

2 10.7 1000 130 21 87 728 32 17 ___ 12.149

3 9.8 1000 130 21 87 709 32 17 ___ 13.265

4 9.3 1000 127.5 21 83 688 32 17 ___ 13.709

Kerosene

5 10.3 1000 130 21 76 668 32 ___ 31 12.621

6 9.35 1000 130 21 74 636 32 ___ 31 13.903

7 8.3 1000 131 21 67 604 32 ___ 29 15.783

8 7.55 1000 131 21 64 575 32 ___ 28 17.350

5. CALCULOS Y RESULTADOS :

A. Datos: Los valores de %CO2, %CO, %O2; se han determinado con los

gráficos ra/c vs %CO2, %CO, %O2.

COMB

Comb. Aire_gas Agua ORSAT

r a/cmc

(kg/h)Tc

ma

(kg/h)Ta

Tgas

escap

m

(kg/h

)

Tent Tsal %CO2 %CO %O2

PROPANO

11.2 17 129 30 722 1000 21 85 8.571 6 0.437 11.51

10.7 17 130 30 728 1000 21 87 9.642 4.571 0.312 12.15

9.8 17 130 30 709 1000 21 87 11 2.692 0.125 13.26

9.3 17 127.5 30 688 1000 21 83 11.571 1.923 0.062 13.71

KEROSENE

10.3 31 130 32 668 1000 21 76 12.642 1.285 0 12.62

9.35 31 130 32 636 1000 21 74 14 0.375 0 13.90

8.3 29 131 32 604 1000 21 67 14.2 0.125 1.571 15.78

7.55 28 131 32 575 1000 21 64 12.571 0.437 3.428 17.35

1. CÁLCULO DE COEFICIENTES DE LAS ECUACIONES DE REACCIÓN:

Sabemos que:

CxHy + a(O2 + 3.76N2) bCO2 + dO2 + eCO + f.N2 + gH2O

x = b + e balanceo de carbono

2a = 2b + 2d + e + g balanceo de oxigeno

f = 3.76 a balanceo de nitrógeno

y = 2g balanceo de hidrogeno

PROPANO

b e d f a g x y

8,571 6 0,437 84,992 22,604 21,192 14,571 42,385

9,642 4,571 0,312 85,475 22,732 20,986 14,213 41,972

11 2,692 0,125 86,183 22,921 20,900 13,692 41,800

11,571 1,923 0,062 86,444 22,990 20,791 13,494 41,583

KEROSENE

b e d f a g x y

12,642 1,285 0 86,073 22,891 19,214 13,927 38,429

14 0,375 0 85,625 22,772 17,170 14,375 34,340

14,2 0,125 1,571 84,104 22,368 13,069 14,325 26,138

12,571 0,437 3,428 83,564 22,224 12,013 13,008 24,027

2. DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE TEÓRICA:

El combustible mas próximo es C3H8 , para el ensayo con propano:

Luego:

C3H8 + a(O2 +3.76N2) ------ bCO2 + cN2 + dH2O

Calculando tenemos:

a = 5

b = 3

c = 18.8

d = 4

El combustible mas próximo es C14H30 , para el ensayo con kerosene:

Luego:

C14H30 + a(O2 +3.76N2) ------ bCO2 + cN2 + dH2O

Calculando tenemos:

a = 21.5

b = 14

c = 80.84

d = 15

La relación aire-comb. real:

El coeficiente de exceso de aire (α)

Cantidad de Carbono e Hidrógeno en el combustible

PROPANO

(r a/c)t = 15.6 α %_real

(r a/c)lab

α % lab

(r a/c)rC

(kg C/kgComb)

H

(kg H/kg

Comb)

14,2844 0,8048 0,19510957 91,56 11,51 73,78

14,6838 0,8025 0,19749249 94,12 12,15 77,88

15,2670 0,7971 0,2028104 97,86 13,26 85

15,5083 0,7956 0,20433077 99,41 13,71 87,88

KEROSENE

(r a/c)t = 14.907

15,2884 0,8130 0,1869543 98,00 12,62 80,89

15,1141 0,8339 0,16602376 96,88 13,9 89,10

15,5055 0,8680 0,13198626 99,39 15,78 101,15

16,9382 0,8666 0,13339638 108,57 17,35 111,21

B. BALANCE TÉRMICO:

1. CALOR LIBERADO POR EL COMBUSTIBLE (Qi):

Qi = Pc KJ/Kg combustible.

Donde:Pc = Poder Calorífico alto del combustible

Para el GAS PROPANO:

Qi = Pc = 50264.50 KJ/Kgcombustible.

Para el KEROSENE:

Qi = Pc = 46276.23 KJ/Kgcombustible.

2. CALOR CEDIDO AL AGUA DE REFRIGERACIÓN (Q1):

Donde:

magua = Flujo de agua de refrigeración Kg/hr.

mcomb = Flujo de combustible Kg/hr.

Ca = Calor específico del agua = 4.18 KJ/Kg-K.

Ts = Temperatura a la salida del agua °C.

Te = Temperatura del agua a la entrada °C.

Calor cedido al agua de refrigeración (PROPANO)

magua

(kg/h)

mcomb

(kg/h)Te Ts

Q1

(kJ/kg comb)

1000 11.2 21 85 23885,71

1000 10.7 21 87 25783,17

1000 9.8 21 87 28151,02

1000 9.3 21 83 27866,66

Calor cedido al agua de refrigeración (KEROSENE)

magua

(kg/h)

mcomb

(kg/h)Te Ts

Q1

(kJ/kg comb)

1000 10.3 21 76 22320,38

1000 9.35 21 74 23694,11

1000 8.3 21 67 23166,26

1000 7.55 21 64 23806,62

3. CALOR CEDIDO A LOS GASES DE ESCAPE (Q2):

Donde:

mg = Masa de los gases de escape Kg/Kg combustible.

Cpg = Calor especifico de los gases.

Cpg = 1.003 KJ/Kg-K

Tg = Temperatura de salida de los gases C.

Ta = Temperatura del bulbo seco C.

C = Cantidad de C en el combustible.

Calor cedido a los gases de escape (PROPANO)

Tg mg Ta

C

(kg C/kg

comb)

Q2

(kJ/kg comb)

722 18,7864 22.22 0,8048 13185,95

728 17,8036 22.22 0,8025 12603,16

709 16,6756 22.22 0,7971 11486,87

688 16,2483 22.22 0,7956 10850,26

Calor cedido a los gases de escape (KEROSENE)

Tg Mg TBS

C

(kg C/kg

comb)

Q2

(kJ/kg comb)

668 15,5889 22.22 0,8130 10097,20

636 14,88475 22.22 0,8339 9163,36

604 15,37767 22.22 0,8680 8973,26

575 17,05308 22.22 0,8666 9454,88

4. CALOR CEDIDO AL AGUA FORMADA POR LA COMBUSTIÓN (Q3):

Q3 = 9H [Ca(Tpp - Tc) (hfg)pp + Cpv(Tg -Tpp)] KJ/Kgcomb

Donde:

9H = Cantidad de agua formada, considerando que:

1Kg de H2 es capaz de formar 9 Kg de H2O.

H = Cantidad de H2 en el combustible Kg H2/Kg comb.

Tg = Temperatura de los gases C.

Tc = Temperatura del combustible C.

Tpp = Temperatura de saturación correspondiente a la presión parcial

del vapor de agua en los gases de escape C.

Ca = Calor especifico del agua = 4.18 KJ/Kg-K.

Cpv = Calor especifico del vapor = 1.923 KJ/Kg-K.

(hfg)pp= Entalpía de cambio de fase correspondiente a la presión parcial

del vapor en los gases de escape KJ/Kg.

Además:

Ppp = fn Pat

N de moles de H2O fn = ----------------------------------------- N de moles de productos en la reacción

f fn = --------------------- b + c + d + e + f

Donde:

Fn = fracción molar de H2O.

Pat = Presión atmosférica en Bar.

Pp = Presión parcial del vapor de H20 en los gases de escape Bar.

Calor cedido al agua formada por la combustion (Propano)

H (kg H/kg

Comb)Tpp Tc hfg pp

Tgas

escape

Presión

Parc.

(KPa)

Q3

0,1951 96,14 17 2267,42 722 85,4 6675,82

0,1974 96,34 17 2266,90 728 85,9 6777,75

0,2028 96,64 17 2266,13 709 86,6 6893,40

0,2043 96,75 17 2265,85 688 86,8 6870,75

Calor cedido al agua formada por la combustion (Propano)

H (kg H/kg

Comb)Tpp Tc hfg pp

Tgas

escape

Presión

Parc.

(KPa)

Q3

0,1869 96,59 31 2266,26 668 86,5 6123,36

0,1660 96,4 31 2266,76 636 86,0 5345,96

0,1319 95,74 29 2268,43 604 84,4 4187,03

0,1333 95,52 28 2269,01 575 83,9 4169,91

5. CALOR PERDIDO POR LA COMBUSTIÓN INCOMPLETA (Q4):

%CO

Q4 = -------------- * 23663 * C

%CO2 + %CO

Teniendo en cuenta las siguientes reacciones químicas de combustión:

Reacción: Calor de combustión KJ/Kg.

2C + CO2 2CO 9196 KJ/Kg

23663 KJ/Kg.

C + O2 CO2 32859 KJ/Kg

C = Cantidad de Carbono en el combustible KgC/Kgcomb.

Calor perdido por combustión incompleta (PROPANO)

%CO/(%CO+%CO2) C (kg C/kg Comb) Q4

0,20588841 0,8048 3920,93523

0,16080349 0,8025 3053,58712

0,09830558 0,7971 1854,21796

0,07125389 0,7956 1341,4459

Calor perdido por combustión incompleta (KEROSENE)

%CO/(%CO+%CO2) C (kg C/kg Comb) Q4

0,04613341 0,8130 887,515417

0,01304348 0,8339 257,381422

0,004363 0,8680 89,6138045

0,01679736 0,8666 344,452548

6. CALOR PERDIDO POR CALENTAMIENTO DE LA HUMEDAD DEL AIRE

(Q5):

Q5 = M Cpv (Tg - TBS) KJ/Kg combustible.

Donde:

Cpv = 1.923 KJ/Kg-K.

Tg = Temperatura de los gases C.

TBS = Temperatura del bulbo seco C.

M = Vapor de agua ambiental presente/Kg comb.

M = W (ra/c)r

Donde:

W = Humedad especifica Kg agua/Kg aire.

Con la temperatura del bulbo seco y del bulbo húmedo del medio ambiente

calculamos de tablas W.

W = 0.019 Kg agua/Kg aire.

Reemplazando valores tenemos:

Calor perdido por calentamiento de la humedad del aire (PROPANO)

Tgas

escape

kg agua/kg

airer a/c M TBS Q5

722 0.0125 11,51 0,143875 22.22 193,60

728 0.0125 12,15 0,151875 22.22 206,12

709 0.0125 13,26 0,16575 22.22 218,90

688 0.0125 13,71 0,171375 22.22 219,41

Calor cedido a los gases de escape (Kerosene)

Tgas

escape

kg agua/kg

airer a/c M TBS Q5

668 0.0125 12,62 0,15775 22.22 195,89

636 0.0125 13,9 0,17375 22.22 205,07

604 0.0125 15,78 0,19725 22.22 220,67

575 0.0125 17,35 0,216875 22.22 230,53

7. CALOR PERDIDO POR RADIACIÓN, CONVECCION Y OTROS (Q6):

5

Q6 = Qi - Σ Qt

t=1

Calor perdido por radiación, convección, y otros (PROPANO)

Q Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

50264.50 23885,71 13185,95 6675,82 7841,87 193,60 2402,46574

50264.50 25783,17 12603,16 6777,75 6107,17 206,12 1840,69362

50264.50 28151,02 11486,87 6893,40 3708,43 218,90 1660,08049

50264.50 27866,66 10850,26 6870,75 2682,89 219,41 3115,96447

Calor perdido por radiación, convección, y otros (KEROSENE)

Q Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

46276.23 22320,38 10097,20 6123,36 1775,03 195,89 6651,8602

46276.23 23694,11 9163,36 5345,96 514,762 205,07 7610,3246

46276.23 23166,26 8973,25 4187,03 179,22 220,67 9639,3892

46276.23 23806,62 9454,87 4169,91 688,90 230,53 8269,82918

Tabla de Resultados

Comb. punto r a/c α %Q

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

Propano

1.00 11,51 73,78

50264.50

47,52 26,23 13,28 7,80 0,38 4,77

2.00 12,15 77,88 51,29 25,07 13,48 6,07 0,41 3,66

3.00 13,26 85,00 56,00 22,85 13,71 3,68 0,43 3,30

4.00 13,71 87,88 55,44 21,58 13,66 2,66 0,43 6,19

Kerosene

1.00 12,62 80,89

46276.23

48,23 21,81 13,23 1,91 0,42 14,37

2.00 13,9 89,10 51,20 19,80 11,55 0,55 0,44 16,44

3.00 15,78 101,15 50,06 19,39 9,04 0,19 0,47 20,83

4.00 17,35 111,21 51,44 20,43 9,01 0,74 0,49 17,87

CONCLUSIONES

- Cuando se trabaja con el gas la llama dentro de la cámara Milton era de color

azul intenso y cuando se trabajó con kerosene la llama era amarillo y era más

grande comparado con la llama del gas propano.

- Llegue a la conclusión de que se dio una combustión incompleta debido a que

siempre se forma aunque sea una pequeña proporción de CO.

BIBLIOGRAFÍA

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Classicalr Thermodynamics”, 4ta Edición – Jhon Willey and Sons Inc. 1994

- Virgil Moring Faires/Clifford Max Simmang “Termodinámica”, 6ta Edición –

McMillan Publishing

- M.J. Moran/H.N. Shapiro, “Fundamentos de Termodinámica Técnica” 2th

Edición, John Wiley and Sons Inc. 1993

- Russel y Adebiyi, “Termdionámica Clásica”, 1th Edición – Addison Wesley

Iberoamericana S.A. 1993

Diagrama de SankeyPROPANO r a/c = 12.3636

Diagrama de SankeyPropano r a/c = 13.50CALOR CEDIDO AL

AGUA DE REFRIGERACIÓN

%

CALOR CEDIDO A LOS GASES DE ESCAPE

%

CALOR CEDIDO AL AGUA FORMADA POR LA COMBUSTION

%

CALO PERDIDO POR COMBUSTION INCOMPLETA

%

CALOR PERDIDO POR RADIACION

%

CALOR PERDIDO POR CALENT. DE HUMEDAD DE AIRE

%

CALOR CEDIDO AL AGUA DE REFRIGERACIÓN

%


%


%


17.46%


%


4.32%

Diagrama de SankeyPropano r a/c = 14.54 Diagrama de Sankey

Propano r a/c = 16.75


50.26 %


20.14%


12.21%


0.86%


15.81%


0.71%


51.72 %


20.97%


12.21%


0.62%


13.76%


0.75%

Diagrama de SankeyKerosene r a/c = 12.40




44.26 %


21.46%


13.71%

CALOR PERDIDO POR COMBUSTION INCOMPLETA

3.91%


16.03%


0.63%


48.17 %


19.39%


11.52%


1.19%


19.07%


0.66%


46.29 %


18.80%


8.90%

CALOR PERDIDO POR COMBUSTION INCOMPLETA

0.46%


24.85%


0.7%


45.16 %


20.50%


9.35%


1.95%


22.29%


0.75%

Diagrama de Sankey

Kerosene r a/c = 17.8571

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