cámara de combustión- guia de practicas 2015b

7/21/2019 Cámara de Combustión- Guia de Practicas 2015B

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Escuela Politécnica Nacional

Facultad de Ingeniería Mecánica

Laboratorio de Termodinámica

Cámara de combustión

1.

Objetivos:

Estudiar el proceso de combustión y parámetros de operación que inciden en su

calidad

Analizar el efecto de la relación aire/combustible tanto en la eficiencia de la

combustión como en los productos de la combustión y la temperatura de salida

de gases.

Comparar el análisis de los productos de combustión con las predicciones

teóricas. Análisis estequiométricos.

Comparar el rendimiento o eficiencia de la combustión con el empleo de

diferentes combustibles.

Influencia de la relación aire/combustible en el balance de energía.

Evaluación del quemador, analizando:

o Estabilidad de la llama.

o

Características de la llama (coloración, turbulencia, separación del

quemador).

o Radiación de la llama (temperatura – coloración)

o Velocidad de encendido.

o Rango de regulación (exceso de aire), presiones de trabajo, tipo de

atomización

o Emisión de gases de combustión (relación con el comportamiento

del quemador)

2. Marco Teórico:

2.1 ¿Qué es combustión?

Es una reacción explosiva violenta de oxidación con desprendimiento de calor, que

se da entre dos elementos:

Combustible: puede ser sólido, líquido o gas.

Comburente: oxígeno. (Normalmente se utiliza el aire por lo que entre los

productos se tiene nitrógeno)

Para que la combustión tenga lugar deben coexistir tres factores:

Combustible.



Comburente.

Calor o ignición.

Fig. 1 Triangulo de la combustión.

2.2 Reacciones básicas de la combustión:

C + O → CO +Calor

2 C + 3 O → 2 CO + 2 O +Calor (menor)

2H + O → 2HO+Calor

Para los combustibles se tiene:

+ →xCO + 2 HO+Calor

Nota: Es importante considerar que debido a que como reactivo se tiene al

aire (79% O2 y 21% N2), en los productos también se tendrá NO2, NO (NOx),

SO2, SO3 (SOx).

2.3 Reacción estequiometria de la combustión:

Es necesario realizar un análisis estequiométrico de la reacción química que se da

en un proceso de combustión para lo cual se debe utilizar una relación molar de los

diferentes reactivos (combustible y aire) y los productos que se obtienen en el

proceso.

Los aspectos a determinar son:

Aire necesario para la combustión. (21% O2 y 79% N2).

Combustible. (CxHy)

Productos de la combustión y su composición. (De acuerdo al caso

los productos pueden ser: CO2, CO, H20, N2, O2).

Se toma un proceso ideal para predecir estas cantidades, con el propósito de

simplificar el cálculo y que solo dependa de pocos parámetros, es decir del

combustible, la cantidad de aire y los diferentes productos.

Por eso se consideran tres tipos de combustión:



Combustión estequiométrica: Es el proceso de combustión realizada con

la cantidad de aire exacta con el fin de que el combustible se combustione

completamente.

Combustión rica en aire: Conduce a la oxidación total de todos los

elementos que constituyen al combustible y adicionalmente entre los

productos se tiene cierta cantidad de oxígeno. En la práctica aún bajo

condiciones de exceso de aire se pueden presentar reacciones incompletas,

carbono no quemado; que obedece a otros parámetros operativos que fallan

como temperatura baja de atomización, mala atomización, estado

defectuoso de la boquilla, falta de turbulencia, exceso de tiro, etc.

Combustión pobre en aire (incompleta): Los componentes del

combustible no se oxidan totalmente debido a la falta de aire por lo que

aparecen denominados inquemados. El más importante es el CO. Lo queocurrirá en la realidad es que el quemador se apagará.

Nota: Teóricamente, tanto a la combustión estequiométrica como la

combustión rica en aire se le conoce como combustión completa ya que se

da la oxidación completa de todos los elementos del combustible.

3. Descripción del equipo del laboratorio:

Fig. 2 Esquema del equipo y sensores.

3.1 Partes Integrales de la cámara:

La cámara cuenta con:

Ventilador: Es el componente que inyecta aire necesario para la

combustión, posee un sensor de presión diferencial para medir el caudal



del mismo, así como un regulador de flujo. Al ingreso del ventilador se

tiene un sensor de temperatura (termopar) con el cual se determina la

temperatura de ingreso del aire.

Sistema de alimentación de diésel.

Sistema de alimentación de GLP.

Cámara de combustión: Es el componente principal en donde se da el

proceso de combustión del diésel o GLP. Dentro de la cámara se tiene la

llama y se tiene 5 puntos de observación alrededor de la misma.

Alrededor de la cámara de combustión se tiene una camisa de agua de

enfriamiento.

Sensor de detección de llama

Controlador de ignición

Analizador digital manual de gases de combustión: Permiteidentificar la composición de los gases producto de la combustión

(exceso de aire, O2, CO, CO2 y la relación CO/CO2).

3.2 Principio de funcionamiento:

Este es un equipo controlado desde un computador con el Sistema de

Control desde Computador (SCADA) de EDIBON, e incluye: el propio

Equipo + una Caja-Interface de Control + una Tarjeta de Adquisición

de Datos + Paquetes de Software de Control y Adquisición de Datos,

para el control del proceso y de todos los parámetros que intervienen

en el proceso.

Para alimentar el combustible el equipo tiene dos líneas de

alimentación (para diésel y para GLP) cada uno con sus propios

componentes, filtro y elementos de seguridad. El quemador tiene elrespectivo control sobre el sistema de alimentación de combustible

de acuerdo al combustible que se escoja. Es importante mencionar

que cada línea de combustible tiene sus propios medidores de flujo.

Al encender el equipo, el quemador realiza un barrido con aire antes

de iniciar el proceso, posteriormente permite el paso de combustible

y automáticamente se ajusta a unas condiciones de trabajo seguras.

Como parte del quemador se tiene un ventilador integrado que aporta

el aire necesario para la combustión, un sensor de detección de la

llama y un controlador de ignición.

Además el ventilador dispone de un sensor de presión diferencial

para la medida de caudal del aire aportado, un termopar paradeterminar su temperatura y de un regulador del caudal de aire a

introducir al quemador.

La llama arde dentro de una cámara de combustión de acero

inoxidable que es refrigerada con agua. Dicha cámara tiene 5 puntos

de observación (de 100 mm.) a los lados de la cámara de combustión

que permiten la observación de la llama.



El equipo también incorpora un analizador digital manual de los gases

de combustión, el cual permite determinar la composición de los

gases a la salida de la cámara, el exceso de aire (en caso de que se

tenga).

Se podrá estudiar el efecto de la relación aire/combustible en las

características de la llama, en la eficiencia de la combustión y en los

constituyentes de los gases de combustión.

Debido a que se puede seleccionar entre GLP y Diésel para el proceso

de combustión, se podrá analizar las diferencias entre el empleo de

diferentes combustibles en el proceso.

3.3 Partes de la cámara de combustión del laboratorio:

La cámara de combustión consta:

Estructura metálica.

Cámara de combustión de acero inoxidable (700 mm x 1100 mm).

5 puntos de observación de llama de 100 mm de diámetro.

Quemador mixto (58 – 150 kW) para GLP o diésel.

Ventilador integrado en el quemador.

Línea de gas que incluye:

o Válvula manual.

o Filtro de gas.

o Sensor de presión (0 – 10 bar).

o

Regulador de presión.

o

Manómetro.

o

Válvula solenoide electrónica y

o Válvula de aguja para regular el caudal de entrada del gas.

Línea de combustible que incluye:

o Válvula manual.

o Válvula solenoide electrónica.

o Sensor de Caudal (4 – 38 Kg/h).

o Válvula de aguja para regular el caudal de entrada del

combustible líquido.

o 2 tanques de almacenamiento y alimentación de combustible.

o Bomba de aspiración del combustible al quemador.

Válvulas de ventilación del aire, de seguridad y de drenaje.

5 sensores de temperatura:

o Cámara de combustión.

o Entrada y salida del agua de refrigeración.

o Salida de los gases de combustión

o Entrada del aire al quemador.

4 sensores de caudal:

o Entrada de gas natural.

o Entrada de light-oil



o Entrada de aire y caudal (sensor de presión diferencial. 0-1 PSI)

de refrigeración.

1 sensor de presión: entrada de gas natural (0-10 bar).

Analizador de los gases de combustión.

2 válvulas solenoides uno para el gas de trabajo: gas o combustible.

Sensor de detección de llama y controlador de ignición.

Medidas de seguridad.

o La alimentación al quemador se corta cuando:

La temperatura del agua de salida supera los 80 ºC.

La presión de la camisa de refrigeración supera 1 bar.

Si no se detecta un caudal de agua superior a 5 l/min.

Fig. 3. Esquema general del equipo.

Elementos de la pantalla principal de la interface:

Fig. 4. Controles principales



1. Botones de comando principales entre los que se tiene:

START.- Para encender el equipo.

STOP.- Para apagar el equipo.

VIEW DATA.- Para observar los datos obtenidos.

QUIT.- Para salir de la interface.

SAVE DATA.- Para guardar datos del equipo. 2. Valores en tiempo real de las diferentes medidas, se tiene los sensores:

ST=Sensor de temperatura. SC=Sensor de caudal. SP=Sensor de presión. 3. Visualización del funcionamiento y estado de los diferentes actuadores.

4. Parámetros que se van a seleccionar para obtener los gráficos de las variables

en tiempo real.5. Displays de las gráficas en tiempo real.

Procedimiento de la práctica:

Encender la bomba de agua del laboratorio y abrir la llave de ingreso y salidade agua al equipo y verificar que se tenga un flujo de agua constante.

Revisar que todas las conexiones equipo-interface-CPU estén realizadascorrectamente.

Encender el interruptor de alimentación eléctrica.

Verificar que el depósito de combustible tenga un nivel adecuado en el caso

de que se vaya a trabajar con DIESEL o caso contrario que se tenga suficiente

cantidad de GLP en la bombona.

Abrir la interface en el computador y verificar que las alarmas del equipo

estén apagadas. Colocar el regulador de flujo de aire a la entrada en la posición correcta.

(Señalizada en el equipo o indicada por el personal de laboratorio).

Fig. 5. Entrada aire quemador



Colocar START y seleccionar la carpeta de ubicación del archivo de datos

a generarse.

Escoger el combustible, el cual en un inicio será DIESEL.

Regular la válvula de ingreso de combustible (De ser el caso).



Esperar 5 minutos para que el equipo se estabilice y proceder a tomar datos.

Tomar datos de medición de gases del analizador de los gases de combustión.

Observar las características de la llama (Coloración).

Variar el caudal de entrada de aire y esperar que se estabilice el equipo paratomar datos una vez más tanto datos del equipo como del analizador de

gases.

Observar nuevamente las características de la llama.

Variar por segunda vez el caudal de entrada de aire, esperar que se estabilice,

proceder a tomar datos tanto del equipo como del analizador de gases.

Una vez terminada la práctica apagar el equipo presionando STOP, cerrar lallave de agua, apagar los equipos, apagar el interruptor de alimentación

eléctrica y la bomba de agua.

REPETIR TODO EL PROCESO PERO UTILIZANDO GLP COMO COMBUSTIBLE.

Mediciones a realizarse en la práctica:

Tomar los valores tanto de flujo de aire como de combustible.



Tomar los valores de presión y temperatura que son adquiridos por el

sistema SCADA.

o ST-1: Sensor de temperatura del aire al ingreso.

o ST-2: Sensor de temperatura al ingreso del agua de enfriamiento.

o ST-3: Sensor de temperatura a la salida del agua de enfriamiento.

o ST-4: Sensor de temperatura en el interior de la cámara de

combustión.

o ST-5: Sensor de temperatura a la salida de los gases de escape.

o SC-1: Sensor que mide el caudal de ingreso de lubricante.

o SC-2: Sensor que mide el caudal de ingreso del diésel.

o SC-3: Sensor del caudal de entrada de aire.

o SC-4: Sensor de caudal a la entrada del agua de enfriamiento.

o

SP-1: Sensor de presión del GLP.

Ver las características de la llama (color, tiempo de encendido, etc…) para las

distintas relaciones de aire/combustible.

Tomar los valores de los gases producto de la combustión, censados con el

analizador digital manual de los gases de combustión.

Comentado [H1]:



Flujo de

Combustible

Flujo de

Aire

Temperatura

gases de

escape

Características de la llama

1

2

3

1

2

3

HOJA DE DATOS

DIESEL

GLP



Bibliografía:

http://www.edibon.com/products/catalogues/es/units/thermodynamicst

hermotechnics/combustion/TVCC.pdf

1 2 3 1 2 3

% O2

Tgas [°C]

T aire [°C]

% CO2

CO [ppm]

GLP DIESEL

TABLA DE DATOS

Medidor de gases

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