DESARROLLO DE UN BANCO DE ENSAYO PARA GASODOMESTICOS
58
DESARROLLO DE UN BANCO DE ENSAYO PARA GASODOMESTICOS MIGUEL ÁNGEL ENRÍQUEZ HERAZO Tesis presentada a La Universidad de los Andes para optar al titulo de Ingeniero Mecánico Asesor RAFAEL BELTRÁN Ingeniero Mecánico Msc, PhD UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C. 2005
Transcript of DESARROLLO DE UN BANCO DE ENSAYO PARA GASODOMESTICOS
DESARROLLO DE UN BANCO DE ENSAYO PARA
GASODOMESTICOS
MIGUEL ÁNGEL ENRÍQUEZ HERAZO
Tesis presentada a La Universidad de los Andes para optar al titulo de
Ingeniero Mecánico
Asesor RAFAEL BELTRÁN
Ingeniero Mecánico Msc, PhD
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C.
2005
Agradecimientos a toda mi familia, a mis padres y hermano por su apoyo y comprensión. A mis compañeros de estudio, por tenerme paciencia y a mis profesores.
IM-2004-II-18
i
Tabla de contenido Capítulo 1 MARCO TEORICO 1.1 Gas natural como combustible 1.2 Gas natural comprimido 1.3 Comparación con otros combustibles Capítulo 2 MARCO ACTUAL DEL TEMA 2.1 Introducción al tema 2.2 Descripción del problema 2.3 Antecedentes del proyecto 2.4 Objetivos 2.4.1 Objetivo general 2.4.2 Objetivos específicos Capítulo 3 EVALUACIÓN DE LOS CALENTADORES 3.1 Consumos caloríficos 3.2 Potencia útil 3.3 Eficiencia térmica Capítulo 4 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN 4.1 Modificaciones del diseño original 4.2 Línea de agua 4.3 Línea de gas Capítulo 5 MANUAL DE OPERACIÓN 5.1 Especificaciones y requerimientos físicos 5.2 Requerimientos de instrumentación 5.3 Conexión de gas 5.4 Conexión de la línea de agua 5.5 Apagado del calentador 5.6 En caso de emergencia Capitulo 6 PRUEBAS Y ANALISIS 6.1 Reporte de resultados Capitulo 7 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Referencias y bibliografía Anexo
IM-2004-II-18
ii
Lista de figuras Figura 4.1 Esquema de conexión del banco Figura 4.2 Contador para gas natural Figura 4.3 Bomba sumergible y depósito de agua Figura 4.4 Válvula de bola y contador de agua Figura 4.5 Calentador vista lateral Figura 4.6 Calentador vista frontal Figura 4.7 Llama leve de los quemadores Figura 4.8 Termocupla de salida de agua caliente Figura 4.9 Sellante en la parte mas importante de la línea de gas Figura 4.10 Conexión de manómetro y rotámetro Figura 4.11 Regulador de gas domiciliario Figura 4.12 Banco de pruebas para reguladores domiciliarios Figura 4.13 Banco de pruebas para medidores de gas industriales Figura 4.14 Banco de pruebas para medidores de gas domiciliarios Figura 5.1 Llama máxima en los quemadores Figura 6.1 Llama generada por el uso de propano como combustible Figura 6.2 Montaje final del banco en el Citec Figura 6.3 Consumo calorífico contra consumo de gas Figura 6.4 Potencia contra caudal de agua Figura 6.5 Caudal de agua contra incremento de temperatura Figura 6.6 Flujo volumétrico de gas contra incremento de temperatura Figura 6.7 Caudal de agua contra consumo de gas Figura 6.8 Rango de temperaturas Lista de tablas Tabla 3.1 Información pertinente para el gas de referencia Tabla 3.2 Composición volumétrica del gas natural por sustancia Tabla 6.1 Registro de adquisición de datos tal como los suministran los
instrumentos Tabla 6.2 Lectura de los instrumentos en las unidades correspondientes a
las ecuaciones Tabla 6.3 Resultados de la potencia y los consumos caloríficos Tabla 6.4 Resultado del flujo volumétrico corregido y las eficiencias
IM-2004-II-18
iii
Agradecimientos A Rafael Beltrán por su paciencia. Al Ingeniero Mecánico Hugo Martín González, coordinador laboratorio de Gas Natural S.A. por brindar su apoyo e interés. Al Ingeniero Eduardo Delgadillo en Hidrotest Engeneering and Supplies por facilitarme los equipos y prestar asesoría en el desarrollo del proyecto. Al Ingeniero Walter Kelmerer en Convertec S.A. por prestarme su taller para trabajar y supervisar la seguridad en la parte inicial de este proyecto. A Josué Ramírez y a Jimmy por su colaboración. A Norman, George y Mateo por su tiempo.
IM-2004-II-18
1
Capítulo 1 Marco teórico
1.1 Natural com o com bustible
El gas natural o metano es el combustible gaseoso fósil más liviano y menos
contaminante que existe. Cuando se quema un combustible, lo que hace
combustión son los vapores que dicho combustible posee; puesto que la
gasolina es un combustible líquido, se le obliga a vaporizarse para poder hacer
combustión, en cambio, el gas natural por ser gas en su estado natural, quema
fácil y adicionalmente se combina totalmente con el aire produciendo mucho
menos contaminación.
El gas natural es un combustible que proviene de los pozos petroleros y puede
estar asociado con el petróleo crudo o libre. En el primer caso se le llama gas
asociado y en el segundo gas no asociado o libre.
Las características principales del gas natural son:
Abundante en el país con una red de suministro en crecimiento.
El combustible más económico, ofreciendo ahorros con respecto a otros
combustibles.
El combustible más seguro puesto que se disipa elevándose rápidamente al
ser más liviano que el aire.
Al no contener tantos contaminantes el gas natural quema en una forma muy
limpia y produce mínima contaminación.
IM-2004-II-18
2
1.2 Gas natural comprim ido vehicular
Es el mismo gas que utilizamos en los gasodomésticos residenciales con la
diferencia que para que el gas natural rinda dentro del vehículo y minimizar las veces que se debe llenar el tanque se debe comprimir hasta 207 bar (3000
psig) de presión y almacenar en tanques muy seguros especialmente
diseñados. A este gas comprimido se le llama gas natural comprimido vehicular
(GNCV).
El GNCV tiene un alto número de octano que es la capacidad antidetonante de
un combustible para evitar el cascabeleo del motor y permitir una conversión eficiente de la energía química almacenada en el combustible, en energía
mecánica o de movimiento.
Para que el gas natural cumpla eficientemente en la cámara de combustión del
motor, debe tener las siguientes características fisicoquímicas:
Contenido de CO2 inferior al 2% en volumen.
Contenido de agua inferior a 6 lb. /MPCS.
Contenido de partículas inferior a 1.6 mg/m3 con tamaño inferior a 5
micrones por partícula.
1.3 Com paración con otros com bustibles
El gas natural ofrece ventajas muy importantes con respectos a otros
combustibles, en lo que se refiere a calidad, emisiones y seguridad.
Un combustible es ambientalmente mas puro entre menos carbono tenga en su molécula. Entre el GNCV y el gas licuado del petróleo (GLP), el GNCV a pesar
de estar comprimido a 207 bares (3000 psig) de presión sigue siendo un gas, lo
IM-2004-II-18
3
que no ocurre con el GLP. El gas natural a temperatura ambiente no se puede
licuar por más alta que sea su presión. El GLP se puede licuar cuando tiene
una presión de 6.9 bar (100 psig) o más, y temperatura ambiente.
La presión a la que falla un cilindro de GNCV es aproximadamente 15 veces más grande que la presión a la que falla el cilindro de GLP. Por lo cual se
prohíbe el uso de cilindros de GLP en servicio automotor.
En caso de un escape el GNCV se disipa rápidamente por ser más liviano que
el aire, lo cual no sucede con el GLP, por lo tanto en caso de escape la nube
que se forma desciende teniendo mayor probabilidad de encontrar un punto de
ignición [ref.12].
IM-2004-II-18
4
Capítulo 2
Marco actual del tema
Hoy en el mundo se habla de gas. Los visionarios de la industria energética del
planeta han planteado que el futuro está en este combustible y no están nada
lejos de la realidad, ya que las proyecciones de crecimiento de la industria del
gas natural en el mundo están por encima del 6%, muy superiores a las del
petróleo que se estima serán del 2% anual.
De acuerdo con los resultados alcanzados en los últimos diez años, se
considera que el plan de uso masivo del gas natural en Colombia ha sido una
verdadera ”revolución social” dado por el rápido crecimiento en el uso del gas
natural, su impacto económico y social se relaciona directamente con las
inversiones realizadas, la generación de empleo, los ahorros en los costos de
la canasta familiar, y los beneficios económicos y ambientales por la sustitución
de recursos más costosos y perjudiciales.
En diez años el servicio del gas natural registró una significativa expansión,
toda vez que se conectaron más de dos y medio millones de nuevos usuarios,
pasando de 647.000 en el año 1993 a 3.232.409 en el año 2003. Esto significa
que en la actualidad 13 millones de colombianos se benefician del gas natural
según Publi Gas al Día [ref. 6]. En cuanto al número de poblaciones
atendidas con gas natural, los resultados también son importantes: Hoy, el gas
natural llega a 310 poblaciones, frente a apenas 50 que contaban con este
combustible en 1993. La expansión del gas natural en Colombia ha sido
excepcional en Latinoamérica y no tiene comparación. En Argentina donde se
tiene una industria bastante desarrollada en este tema y es el país con mayor
numero de vehículos movidos a gas de Sur América, en los últimos diez años
solamente se conectaron 1.274.000 nuevos usuarios, ni siquiera la mitad de lo alcanzado en Colombia. En México del año 1999 al 2003 se adicionaron
IM-2004-II-18
5
484.000 nuevos usuarios mientras que en Colombia en el mismo lapso de
tiempo se conectaron 1.373.357 (casi tres veces más). La cobertura del gas
también abarca el sector transporte a través del gas natural como combustible
automotor, al cierre del año 2003 el total de acumulado de automotores con
gas natural fue de 30.000, y este año se cree que se convirtieron 20.000, el enorme potencial que existe para desarrollar el mercado del gas natural
permite anticipar mas beneficios para los propietarios de los vehículos, para el
medio ambiente y para la economía nacional. En cuanto a la sustitución de
energía eléctrica, se observa que el consumo de gas natural en los últimos
años le ha ahorrado al país la construcción de dos hidroeléctricas del tamaño
de Chivor con una capacidad de 200 MW. Algo muy importante con la aparición
del gas natural fue la sustitución del cocinol que utilizaban para cocción las familias más pobres en distintas ciudades en los años 80´s y 90́ s, y que fue la
causa de centenares de accidentes por lo altamente explosivo que es este
combustible.
Desde la perspectiva ambiental, y dadas las características físico químicas del
gas natural, el país ha empezado a evitar un mayor deterioro de la calidad del
aire. Los automóviles que usan gas natural como combustible producen un
40% menos de ruido que los motores operados con gasolina o diesel, y no
producen material partículado, el cual se genera por la quema de los
combustibles derivados del petróleo, afectando la salud humana. Según el
Ministerio de ambiente, vivienda y desarrollo territorial, los hallazgos iniciales
sugieren que el problema de contaminación del aire en áreas urbanas es el
principal causante de los costos asociados a la degradación ambiental. Resultados preliminares del análisis de dichos costos en Colombia indican que
el contaminante de mayor alcance en efectos sobre la salud es el material
partículado de menos de 2.5 micras en tamaño (PM 2.5).
IM-2004-II-18
6
2.1 Introducción al tema
El gas natural se define de acuerdo con su composición, y su procesamiento
busca enmarcarlo dentro de unos límites de contenido de componentes sólidos, hidrocarburos pesados, gases ácidos y agua, bajo una norma de calidad
establecida. El gas natural es una mezcla de hidrocarburos, principalmente
metano, que en su estado natural se presenta en forma gaseosa, cuya
composición es propia de cada yacimiento. De acuerdo a su composición el
gas natural lo podemos clasificar en gas acido, gas dulce, gas húmedo, gas
seco, gas rico, gas pobre. El punto de rocío del gas es la temperatura a la cual
se forma la primera gota de hidrocarburo líquido de la mezcla gaseosa dependiendo de presión y temperatura del sistema según Publi Gas [ref.6].
Otra característica importante del gas es el contenido de agua en el gas,
medida como la masa de agua por unidad de volumen. El gas que se
encuentra en el yacimiento a presiones altas por lo general mayores a 4.000
psig y 150 grados Fahrenheit de temperatura, se lleva a la superficie mediante
una tubería en el pozo donde se reduce la presión del gas a la presión de
operación de la línea de recolección del gas que es normalmente de 1200-1400
psig. Esta reducción de presión condensa parte del agua de saturación del gas,
lo cual conduce a la formación de hidratos. Sin embargo, en el campo se usan
procesos de prevención de hidratos como el calentamiento del gas para
mantenerlo por encima de su temperatura de formación de hidratos, o
mediante el uso de aditivos químicos y luego su traslado mediante gasoductos
a la planta de procesamiento donde antes de ser distribuido se debe someter el gas una un análisis para determinar su composición, esto se hace mediante un
cromatógrafo de gases, equipo que reporta resultados con alta precisión, se
examinan y reportan alrededor de 14 componentes en las mezclas de gas
natural. Una vez en las urbes se distribuye por tubos metálicos y de pvc a una
presión de 200 psig y 60 psig respectivamente, para llegar a los domicilios a
0.25 psig generalmente, para los vehículos el gas se recolecta de los mismos
tubos de distribución para uso residencial pero se tiene que comprimir en las estaciones de servicio a una presión de 3600 psig para poder almacenarse en
los tanques a 3000 psig es decir 200 bares.
IM-2004-II-18
7
2.2 Descripción del problem a
Los gasodomésticos son aparatos de uso común en la vida diario de los colombianos, en los últimos años se ha visto un incremento considerable de
ellos en los hogares; estos entraron a suplir la demanda de energía que
anteriormente ostentaban los electrodomésticos. Al profesor Rafael Beltrán le
han solicitado pruebas para gasodomésticos, actualmente el departamento no
cuenta con un banco de pruebas para estos aparatos.
En trabajos anteriores se diseño un tutor, pero nunca se realizaron las pruebas con este, ya que para tener acceso al gas natural en un tanque comprimido a
3000 psig se debía cumplir algunos requisitos ante Gas Natural S.A. y Bureau
Veritas, las cuales ejercen un control de llenado de los tanques mediante un
chip electrónico, que si no se tiene, el surtidor de gas no despacha. Para que
otorguen el chip se deben cumplir ciertos requisitos como llevar a cabo la
prueba hidrostática al cilindro en un laboratorio certificado, inspección de
conexiones y reguladores para GNV aprobados por un taller certificado.
El gasodoméstico seleccionado en un principio son los calentadores de paso a
gas natural, el problema fue diseñar y construir lo mas cercano posible a la
norma ICONTEC, un banco de pruebas, fácil de transportar y mover donde se
pueda muestrear las variables implicadas en el funcionamiento de estos.
El tipo de lecturas que se requieren que tenga el banco de pruebas son el consumo de agua, el análisis de gases, la temperatura y el consumo de gas
natural.
En el diseño de este banco se debe poder modificar la cantidad de aire
pasando por el calentador, debe tener una acometida para agua que sea
flexible, contador para medir la cantidad de agua que pasa, rotámetro para
medir la cantidad de gas pasando, y poder muestrear lo que sale por la chimenea mediante el ORSAT (analizador de gases), regulador de presión y
manómetro. Aparte de la norma ICONTEC se pueden seguir
IM-2004-II-18
8
recomendaciones de instituciones como Sedigas-Gas Natural, y el de la
American Gas Asociation-National Gas Code Handbook en el diseño del banco,
como por ejemplo el conducto de evacuación directa.
2.3 Antecedentes del proyecto
Inicialmente se desarrolla un proyecto para determinar una metodología para
controlar el efecto de la altitud en las emisiones de monóxido de carbono (CO).
Para ello se construyo el tutor de pruebas en el desarrollo del ingeniero Juan
Carlos Serrano [ref.11]. Adicionalmente la ingeniera Maria Margarita Gutiérrez
en el desarrollo de su proyecto de grado [ref.2] realizó pruebas preliminares del comportamiento del flujo de gas a través de inyectores y como segunda parte
realizo un análisis preliminar de las razones por las cuales se produce una alta
concentración de monóxido de carbono en altitudes como las de Bogotá, estos
proyectos fueron dirigidos por el profesor Ignacio Huertas. En la tesis de
maestría del Ingeniero Alexander Valencia [ref.1] se probaron varias marcas de
calentadores en acometidas diferentes y a diferentes altitudes en Colombia.
Para continuar con este proyecto, sorteando los inconvenientes del tutor usado
anteriormente por el profesor Huertas se diseñó y construyó otro que cumpliera
con los requisitos de Bureau Veritas para poder suministrar gas comprimido y
poder realizar las pruebas, ya que en la universidad no se dispone de línea de
gas natural. Se tuvo que adquirir la tubería especial de alta presión que lleva el
gas desde el tanque al regulador, el cual al expandirse el gas desde 3.000 psig presentaba un congelamiento en la tubería y taponamiento (problemas que
presentó el tutor del profesor Huertas), por lo tanto se solucionó el problema
con un regulador para carro que recirculara el agua caliente desde el
calentador y lo calentara, además que se tuvo que realizar verificación y prueba
hidrostática al cilindro para determinar si era seguro trabajar con este para
poder ser autorizado el uso del tanque en la universidad, ya que trabajar con
gas implica sus riesgos.
IM-2004-II-18
9
2.4 Objetivos
2.4.1Objetivo General
Diseñar un banco de pruebas para calentadores de paso a gas que pueda
transportarse y que quede para uso posterior en el laboratorio.
2.4.2 Objetivos Específicos
1. Después de la elección de la norma a utilizar, diseñar una estructura simple
la cual va ha ser el banco de pruebas con sus respectivas instalaciones.
2. Realizar pruebas con el calentador de paso y sacar una comparación
utilizando el banco.
3. Buen funcionamiento del banco y que sea útil para el departamento.
4. Manual o guía de operación para el banco de pruebas.
IM-2004-II-18
10
Capítulo 3
Evaluación de los calentadores
La evaluación de los calentadores de paso a gas natural se rige bajo los
parámetros establecidos en las normas técnicas colombianas [ref. 3, 4, 5] en
las cuales se especifican las diferentes variables, consideraciones y aspectos
que se deben tener en cuenta, como aumentos de temperatura del agua,
consumo de gas en los quemadores, caudal de agua pasando por el calentador
entre otros.
Realizar o trabajar con gas presenta un riesgo, y por eso es necesario conocer
bien el funcionamiento del banco de pruebas antes de realizar cualquier
operación, es necesario calibrar el contador de flujo volumétrico cada vez que
se vayan a hacer pruebas para tener datos certeros, ya que se descalibra con
facilidad. Para las pruebas se deben tener condiciones estándar de referencia,
y se entienden como tales una presión absoluta de 14.7 psi y una temperatura
de 288.15 K, por lo tanto los resultados de los ensayos efectuados en el
laboratorio deben ajustarse a las condiciones de referencia, mediante la
aplicación de los diferentes factores de corrección [ref. 5]
Entre las definiciones concernientes a combustibles gaseosos se encuentra el Número de Wobbe que es la relación entre el poder calorífico del gas por
unidad de volumen y la raíz cuadrada de la densidad relativa del mismo gas.
d
pciWi = d
pcsWs = (3.1)
Donde:
iW : Índice de Wobbe inferior
sW : Índice de Wobbe superior
IM-2004-II-18
11
pci: Poder calorífico inferior
pcs: Poder calorífico superior
d: Densidad relativa
Se expresa en mega julios sobre metro cúbico (MJ/m3 ). El agua contenida en
los productos de combustión se encuentra generalmente en estado de vapor, lo
cual permite recuperar el calor latente de vaporización absorbido por esta.
Debido a lo anterior se hace necesario distinguir dos poderes caloríficos a
presión constante:
a) Poder calorífico bruto o superior (pcs). Poder calorífico del gas, bajo el
supuesto de que toda el agua de combustión se encuentra
condensada.
b) Poder calorífico neto o inferior (pci). Poder calorífico del gas, bajo el
supuesto de que el agua de combustión se encuentra en estado de
vapor ver 2.1 [ref.5].
Hay varias categorías de gases y usos, entre todos estos se encuentra el G20
con una composición del 100% de metano (CH4 ) ver tabla 3.1
Tipo de gas de
ensayo
Designación Composición por volumen
# de W obbe
inferior
MJ/m3
pci
MJ/m3
# de W obbe
superior
MJ/m3
pcs
MJ/m3
Densidad relativa
(aire=1)
Gas
ref erencia
G 20 100% CH 4 45.67 34.02 50.72 37.78 0.555
Tabla 3.1 Información pertinente para el gas de referencia G20.
IM-2004-II-18
12
La información de la composición volumétrica realizada en un cromatógrafo de
gases y suministrada por Gas Natural S.A. es la siguiente [ref.1] ver tabla 3.2,
estos son los datos reales del gas que encontramos en la red domiciliaria para
Bogotá.
Sustancia Composición Composición
volumétrica del gas
natural (%)
Metano CH4 78.18
Etano C2 H4 10.047
Propano C3 H6 3.969
I - Butano C4 H8 0.625
N - Butano C4 H10 0.687
I - Pentano C5 H10 0.013
N - Pentano C5 H12 0.081
Hexanos C6 H14 0.024
Nitrógeno N2 0.551
Dióxido de carbono CO2 5.10
Tabla 3.2 Composición volumétrica del gas natural por sustancia.
Este gas tiene una densidad de 0.718 un pci de 37.99 MJ/m3 y un pcs de
41.95 MJ/m 3 , más adelante se muestran las respectivas correcciones ya que
la norma dice que se deben hacer con gas de referencia G20, pero se utilizó
gas natural vehicular regulado a la presión del gas natural domiciliario.
IM-2004-II-18
13
3.1 Consum os caloríficos
El consumo calorífico que se obtiene durante una prueba viene dado por la siguiente expresión:
pciVQ r ××= 278.0 (3.2)
Q : Consumo calorífico obtenido en kilovatios (KW)
rV : Consumo volumétrico medido en las condiciones de referencia (m 3 /h).
pci: Poder calorífico inferior del gas (MJ/m 3 ).
El consumo calorífico se tiene que corregir ya que no utilizamos G20, mediante
la siguiente formula, este es el consumo calorífico corregido que habría sido
obtenido si el ensayo hubiera sido realizado en las condiciones de referencia:
rg
gagc d
dt
pppVpciQ ×
+×
+×
+×××=
15.27315.288
25.101325.101325.1013
3600103
(3.3)
Donde:
cQ : Consumo calorífico corregido, en kilovatios (KW)
V : Consumo volumétrico del contador en metros cúbicos por hora (m 3 /h)
pci : Poder calorífico inferior del gas de referencia (MJ/m 3 ).
gt : Temperatura del gas en el contador, en grados Celsius
d : Densidad del gas de ensayo
rd : Densidad del gas de referencia
IM-2004-II-18
14
gp : Presión del gas en el contador, en milibar (mbar)
ap : Presión atmosférica en el momento del ensayo, en milibar (mbar)
3.2 Potencia útil
Cantidad de calor transmitida al agua por unidad de tiempo, expresada
mediante la siguiente ecuación:
)(22 entsalaohohu TTCQP −×××= ρ (3.4)
uP : Potencia útil (KW)
oh 2ρ : Densidad del agua en expresada kilogramos sobre litros (Kg. /lt)
ohQ2
: Caudal de agua en litros por segundo (lt/s)
aC : Calor especifico del agua liquida a condiciones estándar (KJ/Kg.*K)
salT : Temperatura de salida del agua C°
entT : Temperatura de entrada del agua C°
3.3 Eficiencia térm ica
Es el cociente de la potencia útil y el consumo calorífico expresado en
porcentaje.
pciV
TTCQ
r
entsalaohoh
tremica ×
−×××=
)(2
ρη (3.5)
IM-2004-II-18
15
oh2ρ : Densidad del agua en expresada kilogramos sobre litros (Kg. /lt)
ohQ2
: Caudal de agua en litros por segundo (lt/s)
aC : Calor especifico del agua liquida a condiciones estándar (MJ/Kg.*K)
salT : Temperatura de salida del agua C°
entT : Temperatura de entrada del agua C°
rV : Consumo volumétrico medido en las condiciones de referencia (m 3 /h).
pci : Poder calorífico inferior del gas de referencia (MJ/m3 ).
Aquí también hay que hacer corrección de los datos ya que no se toman a
condiciones de referencia.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
+×⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −+×=
g
wgamedr t
pppVV
15.27315.288
25.1013 (3.6)
rV : Consumo volumétrico medido en las condiciones de referencia (m 3 /h)
medV : Es el volumen obtenido y expresado bajo las condiciones de prueba
ap : Presión atmosférica en el momento del ensayo, en milibar (mbar)
gp : Presión del gas en el contador, en milibar (mbar)
wp : Presión parcial del vapor de agua en milibar
gt : Temperatura del gas en el contador, en grados Celsius
3.4 Com bustión
Se puede evaluar el contenido de monóxido de carbono CO en los productos
de combustión exentos de aire y de vapor de agua, en este trabajo no se
realizó ninguna prueba de este tipo ya que el analizador de gases ORSAT, del
IM-2004-II-18
16
laboratorio nunca estuvo en funcionamiento, sin embargo se señala lo que se
puede agregar.
%%21
21
2sin CO
OCO diluir ×
−= (3.7)
diluirCOsin : Partes por millón de monóxido de carbono libres de aire
%2O : Concentraciones de oxígeno en las muestras tomadas, expresada en %
%CO : Concentraciones de monóxido en las muestras, expresada en %
IM-2004-II-18
17
Capítulo 4
Diseño y construcción
Se debe tener un equipo portátil y de fácil transporte para realizar pruebas a
calentadores donde fuere necesario e inclusive donde no hubiere acceso a una
línea de gas, ya que se tienen que hacer las pruebas en lo posible siempre con
el mismo gas, para suministrar información confiable, ya que si no se hace esto
cada vez que se efectué una prueba fuera de Bogotá se tendría que tener el
reporte del cromatógrafo de gases, los poderes caloríficos y la densidad para el
gas suministrado en la localidad.
Como ya se dijo antes, en trabajos anteriores se adecuo un tutor, pero en este
nunca se realizó una prueba por inconvenientes técnicos con el gas. Así que
basándome en los problemas que tuvieron se diseñó y construyó otro, pero
para quedar a largo plazo en el laboratorio, y al final quedará para el laboratorio
el equipo necesario.
Con las ecuaciones en el capítulo anterior se determinaron los requerimientos
mínimos para la lectura y cálculo de resultados de las pruebas. No se tenía
conocimiento de qué había pasado con los instrumentos del tutor anteriormente
construido, se recuperó un mueble que se iba a dar de baja en el Citec, el cual
había sido un banco de pruebas para combustión desarrollado por el profesor
Jorge Ignacio Huertas, este estaba desarmado además había un calentador de
paso a gas natural completamente desarmado que no servia. Durante las
primeras semanas se recuperó el calentador colocándole todo lo que le hacia
falta para operar y se trasladó todo al Laboratorio de Mecánica en la
Universidad de los Andes.
IM-2004-II-18
18
4.1 Modificaciones del diseño original
Como en la universidad no hay suministro de gas natural, se opto por la
solución presentada en el tutor anteriormente diseñado, la cual debía suplir a partir de un cilindro de gas natural vehicular gas a una presión de 200 bares
equivalente a 3000 psi, una presión 9.000 veces mayor a la que se necesita en
el calentador. En el diseño anterior se presentó una solución de la regulación
del gas mediante un acumulador y tres etapas de regulación (ver figura 2.6)
[ref.1] pero no se solucionaba el problema de congelamiento de la tubería
debido a la expansión del gas, lo que representa fluctuación y estancamiento
en el sistema, y tampoco se puede tener un suministro largo y continuo ya que el congelamiento se da bastante rápido.
Se optó entonces por recircular el agua que debería salir del calentador para
mantener el calor perdido en la expansión del gas y esto solo se podía llevar a
cabo de una forma segura mediante un regulador de gas vehicular el cual
funciona con el agua del radiador y se mantiene a temperatura, estos aparatos
operan con corriente dc a 12 voltios.
El tutor original no disponía de un sistema de evacuación de gases por tiro
mecánico, sino por tiro natural así que se le acomodó un ventilador a la salida
de los gases que impulsara los gases hacia arriba, en el diseño anterior se contempló el uso de una bomba de ½ hp de potencia y una válvula para poder
modificar los caudales, al banco se le incorporó un depósito de agua y una
bomba sumergible que suministrará un caudal suficiente para que la presión
del agua logre prender los quemadores, ya que si no se tiene una buena
presión los quemadores no se activan. También era necesario una fuente para
suministrar corriente al regulador, e incorporarle todos los instrumentos que
tenía el diseño original como termocuplas, manómetro, rotámetro, contador de agua, contador de gas, regulador domiciliario, acoples, y mangueras. En la
f igura 4.1 se presenta un esquema del banco de pruebas.
IM-2004-II-18
19
Figura 4.1 Esquema de conexión del banco de pruebas.
Dado el calentador de que se disponía la potencia útil nominal suministrada por
el fabricante era de 17.5 KW y el consumo nominal es de 23.4 kw , despejando
de la ecuación 3.4 y teniendo una cambio de temperatura de mínimo 40 grados
centígrados, podemos despejar un caudal de agua de 0.01046 lt/seg. Y a partir
de la norma Técnica Colombiana [ref.3] donde dice que calentadores con
consumo nominal mayor a 10 KW el rendimiento debería estar en el orden de
84%, de la ecuación 3.5 podemos encontrar un flujo volumétrico de gas a un
poder calorífico de 34.02 MJ/m3 de 0.0005111 m 3 /s lo que nos da 0.5 lt/s de
gas, necesitó un contador con una resolución no mayor a esto, por lo tanto
seleccionamos uno marca Daesung-Metrex de 0.7 dm3 de espaciamiento
IM-2004-II-18
20
entre diafragmas el cual tiene una resolución de 0.2 lt (ver figura 4.2) que
maneja flujos volumétricos entre 2.5 y 0.016 m 3 /h el flujo volumétrico
necesario era de 1.8 m3 /h, el cual se encuentra en el rango del contador, este
fue suministrado por Gas Natural S.A. es de tipo G1.6 bajo norma europea de
consumo.
Figura 4.2 Contador para gas natural de diafragma.
4.2 Línea de agua
Para el suministro de agua se utilizó una bomba sumergible de 5.34 galones
por minuto con una potencia de 1/40 hp, 100 w atts y con un desempeño a 1 pie
de altura de 325 galones por hora, la máxima altura de bombeo de este tipo de
bomba es de 12 pies. La Norma Técnica Colombiana [ref.3] dice que para
dejar sedimentos y filtrar impurezas en el agua se debe bombear el agua desde
un depósito.
IM-2004-II-18
21
Para tomar una lectura de temperatura al deposito (ver figura 4.3), bajando por
el tubo se encuentra la termocupla de tipo K
Figura 4.3 Bomba sumergible y termocupla dentro del depósito de agua.
El agua es bombeada mediante una manguera de ¼ de pulgada al contador de
agua (ver figura 4.5), el cual tiene una válvula de bola a la entrada de este ya
que las líneas de tubería para el suministro de agua fría al calentador de paso
continúo según la Norma Técnica Colombiana (ver la figura 2.2) [ref.4] deberán
disponer de una válvula de corte de acción rápida, que permita interrumpir el
flujo de agua hacia el calentador. El acceso a dicha válvula de corte deberá ser
fácil y la válvula se deberá ubicar antes de la unión de tipo universal a una
distancia mínima de 20cm. de la conexión de entrada de agua fría al calentador
de paso continuo como se ilustra en la figura 4.4 el contador de agua presenta
una resolución de 0.1lt.
IM-2004-II-18
22
Figura 4.4 Válvula de bola y contador de agua conectados directamente al
calentador.
El calentador utilizado en el banco es uno de marca Haceb cpg 10 de categoría
y tipo BHI /2 (ver figura 4.5), como vimos los gases se clasifican de acuerdo a
su número de Wobbe, esta categoría pertenece a los artefactos diseñados para
utilizar únicamente gases del grupo H de la segunda familia que tienen un
Figura 4.5 Calentador para ser utilizado con G20 visto lateralmente.
IM-2004-II-18
23
número de Wobbe entre 41.1 MJ/m3 y 49.7 MJ/m3 para el poder calorífico
inferior ver 1.4.1 [ref.5], el gas de referencia G20 y el gas natural empleado en
las pruebas se encuentran en estos rangos (ver tabla 3.1), así que no hay
problema con las pruebas ya que están en los rangos especificados por la
norma.
Figura 4.6 Vista frontal del calentador montado en el banco.
El calentador a la presión de agua mínima de 0.2 bares los quemadores se
prenden, si no existe una presión mínima de 0.2 bares los quemadores no
encienden, como la disponibilidad de bombas en la universidad es escasa y no
siempre se puede tener una buena presión, al calentador se le modifico la
membrana del paso de agua para que operara a un rango menor de la presión
especificada por el fabricante, esto para estar seguros que el calentador
siempre iba ha funcionar a una baja presión, emitiendo una llama leve en los
quemadores ver figura 4.7.
IM-2004-II-18
24
Figura 4.7 Llama leve apenas con 4 de los 12 quemadores prendidos.
La entrada de agua desde el contador al calentador se dejo directa ya que las
mangueras presentaban una pérdida de presión, interfiriendo con el tiempo de
encendido de los quemadores a la salida del agua caliente que recircula por el
regulador para vehículo, se utilizaron mangueras de 1/5 de pulgada, entrando
al regulador como saliendo de este.
En la manguera de salida de agua del calentador y entrando al contador se
colocó la termocupla tipo K que registra la temperatura del agua caliente ver
figura 4.8.
IM-2004-II-18
25
Figura 4.8 Lectura de salida del agua del calentador, nótese la termocupla dentro de la manguera y a la entrada del regulador de alta presión.
4.3 Línea de gas
Se dispuso un cilindro de gas natural vehicular con capacidad de 60 litros de
gas comprimido, que son alrededor de 15 m3 de gas expandido, marca
Cilbras, con una presión de servicio de 20 Mpa y control de rosca NPT ¾ (ver
lectura expansión en el anexo 1), que es la prueba hidrostática hecha al
cilindro en el laboratorio de pruebas, el cual cuenta con equipos certificados y
aprobados técnicamente bajo la norma DOT, y es avaluado nacionalmente por
el Icontec, bajo la norma técnica NTC 17025.
Esta prueba inicia con una inspección visual interna y externa para determinar
muescas, grietas, golpes, abollamientos e imperfectos en la rosca. La
inspección visual externa se hace a través de fibra óptica, la cual permite
detectar oxidación, grietas internas que generan ruptura del cilindro o
rasgamiento de la pared. Posteriormente y cumpliendo con la norma, se hace medición de la pared del cilindro, por medio de ultrasonido, determinando en
micras o milímetros el espesor para saber si el cilindro ha perdido cuerpo por
desgaste o por problemas de oxidación disminuyendo su resistencia, de ahí se
hace la prueba hidrostática en una chaqueta de amplia capacidad y a una
presión de prueba de 4354 psi.
IM-2004-II-18
26
El cilindro dispone de un pico de llenado el cual permite el paso de gas hacia el
cilindro a 3.600 psi que es la presión del surtidor, para dejar salir el gas
mediante la válvula en el transductor de presión en el pico de llenado. La
tubería que transporta el gas al regulador para carro debe ser en acero
corrugado flexible con recubrimiento interno en PE con negro de humo que refuerza la resistencia a la tensión y la abrasión con virolas de rosca fina.
Para cellar las uniones roscadas de los distintos componentes de los conductos
de conexión se debe sujetar firmemente mediante la utilización de un sellante
anaeróbico (trabas químicas) que cumplan con los requisitos de la NTC 2635
ver 2.1.1 [ref.4] para llevar esto a cabo se utilizó sellante de fuerza alta que permanece líquido en presencia de aire y sólido en presencia de gas, untado
sobre cinta teflón para darle mayor seguridad de fugas (ver figura 4.9), se
revisan las conexiones con agua jabonosa para detectar las fugas.
Figura 4.9 El sellante se aplica en los extremos del tubo en espiral.
IM-2004-II-18
27
El gas pasando por el regulador sale a 6 psi por un orificio de ¾ de pulgada, la
manguera en caucho conecta al manómetro de baja presión y este al
rotámetro, una vez que pasando por el rotámetro (ver figura 4.10)
Figura 4.10 Conexión de manómetro y rotámetro.
El gas es regulado en el regulador domiciliario a una presión de 0.4-0.25 psi
para entrar en el contador de gas (ver figura 4.11).
Figura 4.11 Regulador de gas domiciliario.
IM-2004-II-18
28
Tanto el contador de gas como el regulador domiciliario fueron sometidos a
calibración en el laboratorio de Gas Natural S.A. , el regulador domiciliario se
somete a una prueba de presión en un banco de pruebas que dispone el
laboratorio de la empresa y ese banco también sirve para hacer la prueba de hermeticidad de los contadores de gas (ver figura 4.12), además se somete el
contador de gas natural a una prueba extensa de calibración que dura seis
horas en un banco de pruebas para medidores industriales y domiciliarios (ver
figuras 4.13, 4.14 y anexo 2, el reporte de calibración)
Figura 4.12 Banco de pruebas para calibración de reguladores domiciliarios y
hermeticidad en contadores de gas.
Figura 4.13 Banco de pruebas para contadores de gas industriales, este tiene
un softw are incorporado.
IM-2004-II-18
29
Figura 4.14 Banco de pruebas para contadores de gas domiciliario, se pueden
conectar 6 contadores a la vez este se rige a la NMi (Nederlans Meetinstitut) de
Holanda, y a la NTC 2728.
IM-2004-II-18
30
Capítulo 5
Manual de operación
El propósito de este manual es dar a conocer los aspectos claves en el uso
adecuado de este banco de pruebas y prevenir accidentes tomando las
medidas de seguridad.
5.1 Especificaciones y requerim ientos físicos
• Sitio de trabajo amplio y ventilado.
• Calentador de paso
• Conexión eléctrica 110 V y 60 Hz.
• Acometida de agua.
• Tanque para acumular agua.
• Tanque de gas natural.
• Caja de herramientas.
• Sellante anaeróbico (traba química- gastop)
• Cinta teflón
• Calentador a gas de paso tipo I2H/B, con una potencia nominal de 17-18
kw y un consumo nominal de 23.4 KW, la presión de agua de 0.2-10
bares.
• Pico de llenado para GNV
• Tubería en acero corrugado flexible resistente a 3000 psi y sus
respectivas virolas cónicas.
• Ventilador extractor
• Conexión eléctrica
• Extensión de tres patas
IM-2004-II-18
31
5.2 Requerimientos de instrum entación
• Mueble tutor, donde se monta el calentador, mangueras e instrumentos.
• Contador de agua con resolución de 0.1 lt, caudal máximo de 3.5 m3 /h
• Termocupla tipo K
• Termómetro digital Omega HH23.
• Rotámetro de gas domiciliario de diafragma, debidamente calibrado,
Marca Daesung-Metrex, Q hm3max 5.2: , Q hm /016.0: 3
min , Pmax : 50 Kpa
• Regulador Tartarini-Galileo para gas natural vehicular, este se puede
ajustar la presión de salida mediante tornillo, provisto con electroválvula
de 12 voltios y corriente dc.
• Barómetro
• Bomba sumergible Cole-Parmer Instruments, 5.4 galones por minuto, 115 voltios y 1/40 hp, altura máxima de bombeo de 12 pies.
• Manómetro de carátula entra de la rosca NPT 3/8 de pulgada.
• Cronómetro
• Rotámetro
• Manguera alta presión de ¾ de pulgada para la salida del gas y
mangueras de ½ y ¼ de pulgada para el agua
• Acoples rápidos para mangueras
• Válvula y registro de bola
• Conectores de ¼, 3/8 y ¼ pulgada.
• Abrazaderas
• Fuente de corriente AC y DC
• Multímetro digital
• Regulador domiciliario para gas
• Cronometro con resolución de centésimas de segundo
• Transductor de presión en el pico de llenado
IM-2004-II-18
32
5.3 Conexión del gas
• Limpiar la superficie de las roscas en el pico de llenado y en el tubo
de acero corrugado.
• Recubrir la rosca con cinta de teflón sin abultamientos y aplicar el
sellante anaeróbico con el dedo al teflón, dejar 30 minutos como
mínimo de curado, este permanece líquido en presencia de aire.
• Con la llave de expansión aplicar la mayor fuerza posible para que no
hayan fugas, es muy importante que en este punto se verifiquen las
fugas ya que la electro-válvula en el regulador podría generar una
pequeña chispa al accionarse y resultaría peligroso si existe una
fuga.
• Con un destornillador de pala cerrar el tornillo de paso de gas, para
que no vaya haber paso de gas prematuro.
• Calibrar la fuente a DC y con el voltímetro dar vuelta a la perilla hasta
llegar a los 12 voltios, desconectar el multímetro de la salida y
conectar los caimanes de la electro-válvula a la salida de la fuente.
• Acoplar a la salida de gas a la manguera de caucho de ¾ de
pulgada y atornillar la abrazadera para que selle, si es necesario
aplicar sellante anaeróbico.
• Cerificar con todas las válvulas abiertas y pasando corriente por la
electro válvula fugas en la cubierta del regulador y la salida mediante
el agua jabonosa.
• De ser así, remover la tapa del regulador con las llaves Bristol y
acomodar el diafragma, apretar el círculo de tornillos desde los lados
contrarios para que sea mas uniforme, si es necesario aplicar
sellante anaeróbico en los bordes de la tapa del regulador.
• Con el acople a manguera de ¾ y rosca hembra de ½ acoplar la
manguera de ¼ con el interconector, verificar fugas y hacer los
IM-2004-II-18
33
correctivos con teflón y sellante anaeróbico, conectar la manguera al
manómetro de carátula y este al rotámetro.
• Conectar la salida del rotámetro al regulador domiciliario de rosca de
½ pulgada, nuevamente verificar fugas y aplicar los correctivos
• El regulador acopla directo al contador de gas y este a su vez
mediante una manguera y conector con sello en caucho conecta a la
rosca de ½ pulgada de entrada al calentador.
• Evitar quiebres y aplicar bastante fuerza con la llave de expansión
para que no hallan fugas, una vez conectado el regulador domiciliario
encender la fuente y abrir las válvulas del tanque, darle vuelta al
tornillo y salida del regulador de alta presión y verificar por el orificio
de ventilación si el regulador domiciliario no esta tapado, cuando la
válvula del pico de llenado no abre con facilidad, hay que darle un
golpe fuerte con alguna llave para que se desestanque.
5.4 Conexión de la línea de agua
• Llenar el tanque de agua hasta el tope, conectar la manguera
flexible de ¼ de pulgada a la salida de la bomba y atornillar la
abrazadera de la salida de la bomba como la de entrada a la válvula
y registro de bola.
• Limpiar el filtro de succión de la bomba sumergible
• Aplicar teflón a la rosca que conecta la válvula al contador y utilizar
la llave de tubo para no dejar escapar agua en este cambio de
diámetro.
• Mediante conectores y teflón conectar directo a la entrada de agua
fría del calentador.
• No depositar el tanque de agua a una altura muy inferior a la del
calentador de lo contrario la bomba no va ha proveer presión
suficiente para activar los quemadores en el calentador
• Al terminar de empatar las roscas, ninguna de estas debe girar con
la mano, sino mediante la llave.
IM-2004-II-18
34
• Quitar la tapa cubierta del calentador y ubicar el tornillo de paso de
agua, es necesario girarlo para encontrar el punto mínimo de
activación de los quemadores, esta es la última etapa de regulación
de presión del sistema de agua.
• Verificar que la pila de encendido electrónico este en buen estado y
produzca chispa en el piloto.
• Nuevamente verifique que las abrazaderas en las mangueras estén
bien atornilladas y conectar la manguera de salida de agua al
regulador de alta presión para que evite el congelamiento de este, y
conecte la manguera que evacua el gas al drenaje. Es importante
que selle bien la manguera de entrada de agua al regulador de gas
ya que es por ahí por donde entra la termocupla que toma la
temperatura de salida del agua, por eso debe apretar bien la
abrazadera.
• Gire la perilla a la posición de encendido del calentador y déle
ignición por 10 segundos hasta que encienda el piloto, esto con el
ánimo de eliminar colchones de aire.
• Encienda la bomba y gire el tornillo de paso de agua para verificar la
llama de los quemadores (ver figura 5.1).
IM-2004-II-18
35
Figura 5.1 Llama de los quemadores cuando están todos prendidos.
5.5 Apagado del calentador
• Cerrar la válvula en el pico de llenado del tanque de gas, dejar que el
piloto consuma todo el gas en la línea antes de apagar la electroválvula.
• Una vez consumida toda la llama girar la perilla a la izquierda a la
posición de cerrado total.
• Verifique que la presión este en ceros y que no se este escapando gas
por el orificio de ventilación de l regulador domiciliario.
• Apague la bomba cuando el quemador se apague y se halla consumido
toda la llama y el gas en la línea.
• Gire el tornillo para cerrar el paso de gas en el regulador, y cierre el
manómetro y el paso por el rotámetro.
• Cierre el registro de bola del contador para que la bomba por inercia no
siga descargando agua en el calentador.
• Apague la fuente y por ultimo desconecte los cables de la electroválvula
a la salida de la fuente de poder, cada vez que vaya a prender la
IM-2004-II-18
36
electroválvula, calibre la fuente a 12 voltios ya que aumenta el voltaje
con facilidad y puede quemar la electroválvula.
5.6 En caso de em ergencia
• Si se presenta una fuga o una sobrepresión del regulador, gire la perilla
de consumo de gas al máximo nivel de llama, para que consuma el gas
en la línea.
• Apague la fuente y la electroválvula dejara de pasar gas por el regulador
• Verifique el manómetro y si el contador de gas esta registrando paso de
gas.
• Prenda el ventilador extractor ubicado en la parte superior para que
evacue todo el gas escapado.
• Cuando la llama del calentador se apague significa que todo el gas en la
línea se ha extinguido, pero retírese por un rato de los alrededores
mientras se evacua todo el gas que logro fugarse.
• Gire el tornillo del regulador Galileo para que no pase gas contenido en
la cámara del regulador de alta presión.
• Desconecte la bomba
• Para ubicar la fuga use agua jabonosa en toda la línea de gas y selle.
El procedimiento es el mismo en caso de una llama no controlada en la línea
de gas, pero alejándose lo más rápido posible hasta que las llamas se
extingan, recuerde siempre tener un extinguidor cerca para ser utilizado en
caso de un fuego descontrolado o daño en la válvula principal de gas.
IM-2004-II-18
37
Capítulo 6 Pruebas y análisis
Las pruebas se realizaron en el laboratorio de ingeniería civil del Citec, ya que
es un espacio amplio y ventilado en caso de alguna emergencia, se utilizó gas
natural y propano para evaluar el estado de operación del calentador, al conectar el propano a la línea de gas vemos una llama totalmente diferente a la
azul que vemos en el gas natural (ver figura 6.1) se aprecia una combustión
totalmente diferente.
Figura 6.1 Llama generada por la combustión del propano.
El calentador no operaba a una presión de agua constante y los quemadores
funcionaban a intervalos, cortos prendiéndose y apagándose constantemente,
el hollín y la humareda no permitían el uso prolongado de este combustible
IM-2004-II-18
38
como para tomar una medida precisa, el agua llega a los 90 grados Celsius
pero no se puede mantener por largo tiempo, cabe notar que después que se
equilibra el sistema se requiere de 30 segundos como mínimo para tomar la
lectura de todos los instrumentos a un caudal de agua o flujo volumétrico de
gas especifico, es decir la adquisición de datos en el banco es un trabajo que requiere motricidad en el conteo de tiempo para pasar 1lt de agua y 10 lt de
gas, temperaturas y registrarlos a la tabla de toma de datos.
Inicialmente desconecte la recirculación de agua caliente por el regulador de
alta presión y le conecte una termocupla a la tubería y al cuerpo del regulador,
note que este tardaba 4 minutos en llegar a los 3 grados centígrados, un congelamiento bastante rápido por causa de la gran expansión del gas, la
electro-válvula genera calor pero aun así se congela el equipo.
Tome varios registros hasta tener practica en la adquisición de datos, y
realizarlos en 30 segundos ya que inicialmente me esta tomando mas de
minuto y medio tomar la lectura de los diferentes instrumentos, los instrumentos
están bastante separados entre si (ver figura 6.2).
IM-2004-II-18
39
Figura 6.2 Montaje del banco en el laboratorio de Ingeniería Civil en el Citec.
6.1 Reporte de resultados
# Lectura y anotaciones en
la toma de datos
Temperatura
Inicial C°
Tiempo en
pasar 1 lt de
gas (s)
Tiempo en pasar
un litro de agua
(s)
Temperatura
Final C°
1 Lentitud en la toma de datos 17 18 24 84
2 Lentitud en la toma de datos 16.8 17 20 79
3 Datos antes de estabilidad 16.6 16 22 87
4 Aumentando la temp. final 16.4 18 22 89
5 Se varia el paso de gas 16.5 18 21 75
6 Se varia el paso de gas 15.9 21.9 19 59
7 Aumentando la temp. final 15.9 22 21.2 63
8 Aumentando la temp. final 15.7 20.49 22.3 71
9 Aumentando la temp. final 15.7 18.52 22 77
10 Aumentando la temp. final 15.8 16.5 21.84 86
11 Temp. máxima 15.8 15.47 20.20 90
12 Disminuyendo media vuelta
en el tornillo de paso de gas cada
vez
16.5 17.63 22.49 82
13 Disminuyendo la temp. final 16.5 19.20 23.19 77
14 Disminuyendo la temp. final 16.8 18.78 22.34 75
15 Disminuyendo la temp. final 16.8 20.18 22.24 72
16 Disminuyendo la temp. final 16.9 22.99 21.48 66
17 Disminuyendo la temp. final 17 29 21.91 53
18 Disminuyendo la temp. final 17.1 53 20.81 37
19 Punto en que se apagan los
quemadores 17.1 110 19.28 27
IM-2004-II-18
40
20 Aumentando media vuelta el
tornillo de paso de gas cada vez 17.2 109.6 18.91 26
21 Aumentando la temp. final 17.3 53.13 19.71 35.5
22 Aumentando la temp. final 17.1 29.31 20 52
23 Aumentando la temp. final 17.1 22.42 21.02 65
24 Aumentando la temp. final 17 18.99 21.99 75
25 Aumentando la temp. final 17 17.6 22.72 82
# Lectura y anotaciones en
la toma de datos Temperatura
Inicial C° Tiempo en
pasar 10 lt de
gas (s)
Tiempo en pasar
un litro de agua
(s)
Temperatura
Final C°
26 Hallando punto en que se
prenden quemadores moviendo
el tornillo de paso de agua
17.6 67 29.13 31
27 Aumentando la temp. final 17.4 28.29 22.61 57
28 Aumentando la temp. final 17.5 28.17 21.28 60
29 Aumentando la temp. final 17.1 16.22 21.74 89
30 Prueba aparte arrancando
en frió y con el tornillo de agua
abierto al máximo
16.3 16 19.15 72
Tabla 6.1 Registro de adquisición de datos tal como los suministran los instrumentos y anotaciones en cada lectura.
Utilizando las ecuaciones 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 y 3.6 podemos hallar las potencias
útiles, los consumos caloríficos corregidos y las eficiencias reales, la
temperatura del gas fue de 19.5 y 20.7 grados Celsius.
Los resultados de las ecuaciones son los siguientes:
Lectura Litros por segundo de
agua
Cambio de
temperatura
Metros cúbicos
por segundo
1 0,0416 67 0,00055
2 0,05 60,2 0,00058
IM-2004-II-18
41
3 0,045 70,4 0,000625
4 0,045 72,6 0,000555
5 0,047 58,5 0,000555
6 0,052 43,1 0,000456
7 0,0471 47,1 0,000454
8 0,0448 55,3 0,000488
9 0,0454 61,3 0,000539
10 0,0457 70,2 0,000606
11 0,0495 74,2 0,000646
12 0,0444 65,5 0,000567
13 0,0431 60,5 0,000520
14 0,0447 58,2 0,000532
15 0,0449 55,2 0,000495
16 0,0465 49,1 0,000434
17 0,045 36 0,000344
18 0,0480 19,9 0,000188
19 0,0518 9,9 9,09091E-05
20 0,0528 8,8 9,12409E-05
21 0,0507 18,2 0,000188
22 0,05 34,9 0,000341
23 0,04757 47,9 0,000446
24 0,0454 58 0,000526
25 0,0440 65 0,000568
26 0,0391 13,4 0,000149
27 0,0442 39,6 0,000353
28 0,0469 42,5 0,000354
29 0,0459 71,9 0,000616
30 0,0522 55,7 0,000625
Tabla 6.2 Lectura de los instrumentos pero en las unidades correspondientes
para poder entrar en las ecuaciones.
IM-2004-II-18
42
Lectura Potencia útil KW Consumo calorífico
Kw
Consumo calorífico
corregido Kw
1 11,66 18,91 18,96
2 12,58 20,02 20,07
3 13,37 21,27 21,33
4 13,79 18,91 18,966
5 11,64 18,91 18,96
6 9,482 15,54 15,58
7 9,286 15,47 15,51
8 10,36 16,61 16,65
9 11,64 18,38 18,42
10 13,43 20,63 20,68
11 15,35 22,00 22,06
12 12,17 19,31 19,35
13 10,90 17,73 17,77
14 10,88 18,12 18,17
15 10,37 16,87 16,91
16 9,55 14,80 14,84
17 6,86 11,74 11,76
18 3,99 6,424 6,439
19 2,14 3,09 3,102
20 1,94 3,10 3,114
21 3,85 6,40 6,424
22 7,29 11,61 11,64
23 9,52 15,18 15,22
24 11,02 17,92 17,97
IM-2004-II-18
43
25 11,95 19,34 19,39
26 2,19 5,081 5,094
27 7,32 12,03 12,06
28 8,34 12,08 12,11
29 13,82 20,99 21,04
30 12,15 21,27 21,33
Tabla 6.3 Resultados de la potencia y los consumos caloríficos.
Lectura Eficiencia sin volumen
corregido
Volumen de gas
medido corregido
Metros cúbicos hora
Eficiencia
corregida
1 0,617 1,476 0,836
2 0,628 1,562 0,851
3 0,629 1,660 0,852
4 0,729 1,476 0,988
5 0,616 1,476 0,834
6 0,610 1,213 0,827
7 0,600 1,207 0,813
8 0,624 1,296 0,845
9 0,634 1,434 0,859
10 0,651 1,610 0,882
11 0,698 1,717 0,946
12 0,630 1,507 0,854
13 0,615 1,383 0,833
14 0,601 1,414 0,814
15 0,615 1,316 0,833
16 0,645 1,155 0,874
17 0,585 0,916 0,793
18 0,622 0,501 0,843
19 0,694 0,241 0,940
IM-2004-II-18
44
20 0,626 0,242 0,849
21 0,602 0,500 0,816
22 0,628 0,906 0,851
23 0,627 1,185 0,850
24 0,615 1,399 0,833
25 0,618 1,509 0,838
26 0,431 0,396 0,584
27 0,608 0,939 0,824
28 0,691 0,943 0,936
29 0,659 1,638 0,893
30 0,571 1,660 0,774
Tabla 6.4 Resultados del flujo volumétrico corregido y las eficiencias.
Consumo calorifico-Consumo gas
05
10152025
0 1 2
Consumo de gas m3/h
Con
sum
o c
alor
ifico
KW
Consumocalorifico-Consumo de Gas
Lineal (Consumocalorifico-Consumo deGas)
Figura 6.3 Consumo calorífico contra consumo de gas, relación lineal.
Nótese que el consumo calorífico es directamente proporcional a consumo de
gas, como lo dice la ecuación 3.2, mientras que el caudal de agua permanece
en un rango específico sin importar la potencia, esto demuestra que la presión
en los quemadores determina el rendimiento del aparato.
IM-2004-II-18
45
Potencia-caudal agua
05
101520
0 0,02 0,04 0,06
Caudal de agua en lt/s
Pot
enci
a ut
il en
Kw
Potencia util-Caudal de agua
Lineal (Potenciautil- Caudal deagua)
Figura 6.4 Potencia útil contra caudal de agua en lt/s.
Caudal agua-Delta de temperatura
0
0,02
0,04
0,06
0 20 40 60 80
Delta de temperatura
Caud
al d
e ag
ua lt
/s
Caudal agua-Cambio detemperaturaLineal (Caudalagua- Cambiode temperatura)
Figura 6.5 Caudal de agua en lt/s contra incremento de temperatura, la línea
negra indica la tendencia, vemos que es lineal.
El caudal de agua no parece variar mucho con incrementos de temperatura, lo
que reporta un rango de operación para el paso de agua, para el aparato
usado el máximo es de 10 litros por minuto y el mínimo encontrado en la
pruebas fue de 2 litros por minuto, a un caudal menor a este los quemadores
se apagaban manteniendo la presión constante
IM-2004-II-18
46
Consumo gas-delta de temperatura
00,5
11,5
2
0 50 100
Delta de temperatura K
Fluj
o vo
lum
etric
ode
gas
m3/
h Flujovolumetricodegas-delta detemperaturaLineal (Flujovolumetricodegas-delta detemperatura)
Figura 6.6 Flujo volumétrico de gas contra incremento de temperatura, la línea
negra muestra la tendencia lineal.
Con cambios altos de temperatura se sube el consumo de gas, pero el caudal
de agua no varia demasiado.
caudal de agua-consumo de gas
0
0,02
0,04
0,06
0 0,0005 0,001
consumo de gas m3/s
caud
al d
e ag
ua lt
/s
Caudal deagua- Consumode gas
Lineal (Caudalde agua-Consumo degas)
Figura 6.7 Caudal de agua contra consumo de gas.
Se trato de escoger datos en todos los rangos posibles por el sistema y en
diferentes condicione de operación, ya sea aumentado el paso de gas en el
tornillo del regulador y con la perilla de control de llama al máximo y
disminuyendo el paso en el tornillo de agua en el calentador.
IM-2004-II-18
47
Lecturas hechas en ciclos ascendentes y descedentes, dando media vuelta altornilllo de G.
0
50
100
0 20 40
lectura
tem
pera
tura
fina
l C
Tempertartura-# lectura
2 per. mediamóvil(Tempertartura-# lectura)
Figura 6.8 Rango de temperatura en que se tomaron las lecturas en ciclos
ascendentes y descendentes, esto afecto los resultados ya que se
contemplaron la eficiencias bajas, la norma solo contempla las eficiencias
altas.
IM-2004-II-18
48
Capítulo 7
Conclusiones y recomendaciones
Podría decirse sin temor a estar muy equivocado que desarrollar un proyecto
de gas natural es casi un arte, siempre apasionante y nunca fácil. Apasionante
por el gran reto que presenta, primero entender, y luego alinear una multitud de
factores y de intereses que entran en juego, lo cual no es fácil. Este proyecto
del banco requiere mucho más desarrollo e información, para suministrar unos
resultados bastante confiables.
Para el calentador Haceb utilizado de fabricación chilena, tenemos un promedio
de eficiencia del 84 % la norma dice que al ser una aparato con una potencia
nominal mayor a 10 KW debe ser de 82%,. De los datos el 85% estuvieron por
encima de este valor, el 15% restante se debieron a la forma como se
condujeron las pruebas donde se quería encontrar el punto donde se apagaban
los quemadores y donde se prendían. Esto afecto la confiabilidad de los datos
ya que en los consumos mínimos para mantener prendidos los quemadores
presentan datos de 58% de eficiencia que es la mínima, los datos presentan
una media de 84.54 %, una desviación estándar de 6.729, una varianza de
45.28 y una eficiencia máxima de 98.88% para los datos corregidos.
Para el volumen de gas corregido tenemos un caudal máximo de 1.71 horam /3
y un mínimo de 0.24 horam /3 , una media de 1.19 horam /3 , una desviación de
0.437 y una varianza de 0.1912. Para el consumo calorífico se encontró una
media de 15.36 kw , una desviación de 5.62, una varianza de 31.67 y un
máximo y mínimo de 22.06 y 3.1 kw , el fabricante proporciona un gasto nominal
de 23.4 Kw .
El ensamble del equipo es un poco engorroso, ya que hay muchas mangueras
y conectores, además que el mueble es demasiado grande, el tanque de gas
es supremamente pesado, lo que reduce la portabilidad del banco, es por eso
IM-2004-II-18
49
que se utilizaron mangueras flexibles para moverse conectadas al banco y no
tener que desconectar todo cada vez que se mueve el equipo, por ahora al
concluir el proyecto se va a guardar todo el equipo en una caja con todos los
conectores y mangueras, y desmontar del mueble por que no se puede tener
en el Laboratorio de Mecánica de la Universidad, pero teniendo los instrumentos y equipos no debe ser difícil volver ha armar todo a partir del
esquema.
Entre las recomendaciones a seguir con este trabajo están otro tipo de
pruebas, ya que se dispone de una línea portátil de gas en el banco, adicionar
además de la pruebas Icontec, las pruebas ASTM, como lo son el valor
calorífico de los gases en el rango de el gas natural mediante un calorímetro de registro continuo. Análisis del gas natural por cromatografía (teniendo el equipo
se puede realizar con gas licuado de petróleo también). Cantidad de azufre en
el gas natural mediante hidrogenación y varios más.
Se cumplieron la mayoría de objetivos a excepción del análisis de gases, pero
esto fue por fuerza mayor ya que no se logro importar los reactivos para el
analizador.
IM-2004-II-18
50
Bibliografía y referencias [1] Valencia, Alexander “Efecto de la altitud sobre el desempeño en
calentadores de paso en Colombia”,” Universidad de los Andes 2004” [2] Gutiérrez, M.M.” Control de emisiones de de CO en calentadores de
paso”, “Universidad de los Andes 2002” [3] NTC 3531 Gasodomesticos “Artefactos domésticos que emplean gases
combustibles para la producción instantánea e agua caliente para usos a nivel doméstico. Calentadores de paso continuo.” Segunda actualización 2004.
[4] NTC 3643 “Especificaciones para la instalación de artefactos a gas para
la producción instantánea de agua caliente. Calentadores de paso continuo” Primera actualización 2003.
[5] NTC 3527 “Definiciones y reglas comunes aplicables al ensayo de
artefactos para uso domestico y comercial que emplean gases combustibles”. 1997
[6] Publi Gas al Día, revista especializada de la industria del gas,
septiembre 2004. [7] Sonntag, R.E.”Fundamentals of Thermodynamics”, John Wiley and
Sons, New York 1998. [8] Serrano, J.C. “Efecto de la altitud sobre las emisiones de CO en
calentadores de paso a gas natural”, “Universidad de los andes 2001” [9] Gas Vehicular, revista especializada del GNV, agosto-octubre del 2004. [10] Gas Vehicular, revista especializada del GNV, noviembre-enero del
2005. [11] Ruiz, O, “Plan de de mantenimiento basado en RCM para las estaciones
de servicio a GNV en Bogotá”, “Universidad América 2003”
IM-2004-II-18
51
Anexo 1 Reporte de prueba e inspección del cilindro en el laboratorio.
IM-2004-II-18
52
Anexo 2 Certificado de calibración del contador domiciliario de gas.
IM-2004-II-18
53
