Cámara de Combustión Hilton - 2008I
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Universidad Nacional de Ingeniería
Facultad de Ingeniería Mecánica
Laboratorio de ingeniería mecánica II
“CAMARA DE COMBUSTION HILTON”
Curso : Laboratorio De Ingeniería Mecánica II
Profesor : Ing. Sinchi
Alumnos : Alegría Barboza, Franklin E.Huamán Paredes, Rafael
Poma Soto, Henry
UNI – FIM
2008
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA FIM – 2008 ILaboratorio De Ingeniería Mecánica II – MN463C
INTRODUCCIÓN
El gran impulso y auge tenido hasta la actualidad la utilización de la energía
combustionante tanto en plantas térmicas y diferentes procesos industriales hacen de un
gran aprovechamiento económico y por lógica consecuencia su unidad generadora un
elemento importantísimo.
El desarrollo de los diferentes métodos para energía comenzaron por el año de
1918 y desde entonces muchos han sido sus variaciones para hacer cada vez mas
eficiente un generador de vapor.
La cámara Hilton moderna está constituido por un conjunto integrado de
diferentes componentes cuya finalidad es aprovechar lo mejor posible el calor brindado
por su combustible para hacer posible la conversión del agua en vapor; elemento de
primordial importancia en el campo industrial por sus múltiples aplicaciones.
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I) OBJETIVOS
Hallar la eficiencia térmica de la cámara de combustión.
Realizar un balance térmico de la cámara Hilton; así como hacer un estudio de
un performance considerando la importancia del poder del combustible, así
analizar con más detalle este elemento en el sector Industrial y Plantas
Generadoras de Energía Eléctrica, teniendo en cuenta que del diagnostico
dependen de las medidas a tomar con miras hacia un buen y eficiente
funcionamiento de la unidad.
Fig. 1. CAMARA DE COMBUSTION “HILTON”
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II) FUNDAMENTO TEÓRICO
En toda combustión, el cuerpo que arde se denomina combustible y el que produce la
combustión, comburente. Una combustión es la reacción del oxígeno con diversas
sustancias, en general el carbono y el hidrógeno. En la mayoría de los casos el portador
del oxígeno es el aire; el nitrógeno y los demás componentes del aire no reaccionan con
el combustible, por lo que en muchos cálculos no habrá que tenerlos en cuenta. Los
productos reaccionantes son, el combustible, el aire, los productos de la combustión
gaseosos denominados humos o gases de escape y las cenizas que pueden originarse
formadas por componentes no combustibles o no quemados del combustible.
En el proceso de combustión, las sustancias que intervienen reaccionan químicamente y
tienen que cumplir:
A) El Principio de Conservación de la Materia, de forma que conocidas las
cantidades de combustible y de aire necesario para la combustión, sea posible
hallar la cantidad resultante de productos de combustión.
B) El Primer Principio de la Termodinámica, por cuanto las reacciones químicas, y
en particular las combustiones, son transformaciones energéticas.
C) El Segundo Principio de la Termodinámica, que permite obtener el rendimiento
termodinámico de la transformación de energía que tiene lugar durante la
reacción química, y conocer en qué dirección y en qué proporción se
desarrollará, (equilibrio químico).
REACCIONES QUÍMICAS DE COMBUSTIÓN
Los elementos combustibles de la mayoría de las sustancias combustibles son, el
carbono, el hidrógeno y una pequeña cantidad de azufre. Los cálculos se realizan
mediante algunas reacciones químicas de estas sustancias con el oxígeno, teniendo en
cuenta que:
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a) El combustible es un único compuesto químico, (sustancia pura), o bien una mezcla
de sustancias puras, (mezcla de gases combustibles).
b) El combustible, si es un líquido o un sólido, (fuel, carbón, etc.), es una mezcla de
diversos compuestos cuya composición química se puede determinar.
En cualquier caso, los elementos combustibles son sólo el C, H2 y S y las reacciones de
combustión se pueden reducir, cuando se trata de combustibles sólidos o líquidos, a las
tres siguientes:
C + O2 = CO2 (12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2)
2H + O2 = 2H2O (2 kg H2 + 16 kg O2 = 18 kg H2O)
S + O2 = SO2 (32 kg S + 32 kg O2 = 64 kg SO2)
Los gases que se desprenden del combustible sólido son hidrocarburos ligeros CH4,
pesados C2H4, C2H2, C6H6 y en algunos casos el CO y el SO2, de forma que:
2 CO + O2 2 CO2
CH4 + 2 O2 CO2 + H2O
C2H4 + 3 O2 2 CO2 + 2 H2O
2 C2H2 + 5 O2 4 CO2 + 2 H2O
2 C6H6 + 15 O2 12 CO2 + 6 H2O
Si la combustión es incompleta algunos gases combustibles escapan sin arder,
encontrándose en los humos gases como el CO y algunos hidrocarburos. En general, el
oxígeno debe ser abundante para que la combustión sea lo más completa posible, por lo
que es necesario exista aire en exceso.
Un elevado exceso de aire es desfavorable porque disminuye la temperatura de
combustión, arrastrando, además, un elevado número de calorías que se pierden por los
humos, al tiempo que se provoca la aparición de los NOx.
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CALOR DE REACCIÓN Y POTENCIA CALORÍFICA
La potencia calorífica se puede expresar como la cantidad de calor desprendida en la
combustión completa de la unidad de combustible, 1 mol o 1 kg si es sólido o líquido, y
1 m3 a 0º y 760 mm de Hg si es un combustible gaseoso. En la combustión completa se
generan:
C + O2 CO2 + 97.6 Kcal/mol
2 H2 + O2 2 H2O + 137.92 Kcal/mol
S + O2 SO2 + 80 Kcal/mol
La potencia calorífica de un combustible se determina en un calorímetro; en su
determinación se puede observar que en las paredes del calorímetro se deposita agua
que proviene de la condensación del vapor de agua producido en la combustión, que al
condesar cede aproximadamente 600 Kcal/kg; éste calor sumado al generado en la
combustión recibe el nombre de potencia calorífica superior, que es el resultado
proporcionado por el calorímetro.
Si ese mismo combustible se quema en un hogar industrial, el vapor de agua existente
en los humos no condensa debido a que la temperatura de éstos es siempre superior a
100ºC; en estas circunstancias los combustibles no proporcionan las calorías que
corresponden al valor obtenido en el calorímetro, sino un valor inferior que recibe el
nombre de potencia calorífica inferior, que no se aprovecha íntegramente, por cuanto los
humos calientes se llevan parte del calor generado; si de la potencia calorífica inferior se
descuenta el calor sensible que llevan los humos, la cantidad de calor que realmente se
puede utilizar recibe el nombre de potencia calorífica útil.
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VOLUMEN DE AIRE MÍNIMO POR kg DE COMBUSTIBLE
Existen fórmulas empíricas que permiten calcular el volumen de aire necesario por kg
de combustible, en función de la potencia calorífica inferior Pci del mismo.
Para los combustibles sólidos: V aire min=(1 . 01 P1
1000+0 . 5)⋅m3
kg
Para los combustibles líquidos: V aire min=( 0. 85 P1
1000 )⋅m3
kg
La cantidad de aire determinada en estos casos, es la cantidad estricta mínima de aire
necesaria (condición estequiométrica), para que se verifique la combustión total. En la
práctica es preciso tomar una cantidad mayor que la teórica, para que la combustión sea
lo más perfecta posible.
PARTES CONSTITUTIVAS DE LA UNIDAD
1. QUEMADOR: Puede ser utilizado en forma independiente con gas, kerosene o
con combinación de ambos.
2. CAMARA DE COMBUSTIÓN: Constituido por:
a. Cámara refractaria
b. Cámara de combustión
c. Chimenea
d. Siete visores
e. Orificio para el tubo de muestreo
f. Bujía de ignición
3. VENTILADOR CENTRÍFUGO
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4. SISTEMA DE COMBUSTIBLE:
a. Circuito de combustible líquido (kerosene)
b. Circuito de combustible gaseoso (propano).
5. SISTEMA DE AIRE
6. SISTEMA DE AGUA:
a. Circuito de refrigeración de la cámara
b. Circuito de refrigeración del tubo de muestreo
7. PANEL DE CONTROL
ESPECIFICACIONES
1. QUEMADOR
Schieldron No.3 – Patente Británica
789961 No. de serie: 1861G
Quemador de combustión preparado para operar con combustible líquido y
gaseoso. Tiene un diseño especial para mantener la relación Aire-Combustible.
2. VENTILADOR
B y C: tipo Y3/100 de tres etapas
Marca TORNADO
No. de serie: 899799/1
Capacidad: 136 Kg/hr a 570mm de H2O
Con motor eléctrico No. 02041 – 890051
220V - 3Ø – 60 Hz – 13.5 Amp. – 5 Hp
3400 RPM
3. CÁMARA DE COMBUSTIÓN
a. Cámara refractaria.- de 12” Ø x 11 ¾” de longitud con forma interna
cónica de 5 ¾” a 1 ¾” Ø con cubrimiento de lana de vidrio de 1” y chapa
metálica exterior y provista de una bujía de ignición eléctrica.
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b. Cámara de combustión.- constituida por dos cilindros concéntricos de
acero inoxidable entre los cuales circula agua. El casco interior de 18” Ø
y el exterior de 20ӯ.
c. Tiene 7 mirillas de vidrio 1 al frente de 1 ½” Ø y 6 ubicadas a los
costados 3 y 3, de 2” Ø. Además dispone de un orificio con un tomador
de muestra de gases refrigerado por agua.
4. CONTROLES
a. Control manual de aire y combustible que mantiene la relación en 5 a 1.
b. Válvula para regula el flujo de aire en la descarga del ventilador.
c. Válvula de regulación del flujo de combustible líquido.
d. Válvula reductora de presión del gas con presión de salida regulable.
e. Válvula para regulación del flujo de combustible.
f. Válvula para regular el flujo de agua de refrigeración.
g. Válvula para controlar el flujo de agua del tomador de muestras.
III) PROCEDIMIENTO
INSTRUCCIONES SOBRE OPERACIÓN DE EQUIPO
REVISIONES ANTES DE OPERAR:
1. Drenar el condensado de la cámara, sacando el tapón ubicado en la parte
inferior.
2. Asegurar que haya suficiente combustible (gas y/o líquido) para el experimento
programado.
3. Ajustar los tornillos reguladores de nivel, de tal forma que los medidores de
flujo de aire y de la presión de gas en la tubería marquen cero.
4. Chequear que la presión de salida de gas sea aproximadamente 120mm de H2O.
De no tener esta presión se procede a regularla mediante la válvula reductora de
presión (válvula tipo diafragma).
5. Verificar el suministro de agua a la cámara y al tomador de muestras. Se
recomienda un flujo inicial de agua de 1000 Kg/Hr.
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6. Con la válvula de control de aire cerrada (posición No. 1 en la escala) arrancar el
ventilador hasta que alcance su velocidad de régimen. Abrir lentamente la
válvula de control de aire y dejarla totalmente abierta (Posición No.8) durante un
lapso de 2 minutos de tal forma de desalojar posibles gases residuales de
experiencias anteriores.
7. Chequear que la bujía de encendido esté en la posición correcta y se produzca la
chispa.
PROCEDIMIENTO DE ENCENDIDO (ENCENDIDO CON GAS PROPANO)
1. Verificar todos los pasos correspondientes a la sección “antes de operar”.
2. Regular el flujo de agua a 1000 Kg/Hr.
3. Abrir el agua de refrigeración para el tubo mostrador.
4. Regular el flujo de aire a 125-130 Kg/Hr.
5. Se oprime el botón de ignición y a la vez se abre la válvula de control de gas
(situada en el panel) en forma lenta hasta conseguir el encendido.
La válvula de control se ha de abrir hasta que se obtenga un combustible estable,
esto se consigue con un flujo aproximado de 9Kg/Hr de gas, para el flujo de aire
del paso 4.
Se recomienda de 1 a 2 Kg/Hr más de flujo de gas, del mencionado
anteriormente, tan solamente para encenderlo y una vez estabilizada la
combustión mantener el flujo a 9 Kg/Hr.
6. Se procede luego a retirar la bujía y colocar el tapón en la lumbrera de ignición.
PROCEDIMIENTO CON COMBUSTIBLE LÍQUIDO (KEROSENE)
1. Se realizan todos los pasos de la sección “encendido por gas” con lo que
tendremos una combustión estable con gas.
2. Se abre la válvula general de combustible (kerosene) situada en la tubería de
suministro.
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3. Se abre la válvula de control de kerosene (situada en el panel) en forma lenta y
simultáneamente se va cerrando la válvula de control de gas ( también en el
panel) cuidando que la combustión no se interrumpa.
La válvula de control de kerosene se ha de abrir hasta lograr una combustión
estable, lo cual se consigue con un flujo aproximado de 10 Kg/Hr de kerosene.
Conseguida la combustión del flujo se reduce a 8Kg/Hr.
4. Si la combustión se interrumpe, cerrar inmediatamente las válvulas de control de
combustible. Dejar funcionando el ventilador durante dos minutos de tal forma
de desalojar los gases residuales, procediendo luego a reiniciar todo el proceso
de encendido.
INSTRUCCIONES DE PARADA
1. Cerrar la válvula de combustible del panel.
2. Cerrar la válvula de suministro en la tubería principal.
3. Dejar funcionar el ventilador por dos minutos para purgar la cámara, cuidando
que la palanca de control de flujo de aire este colocada en la posición 8.
4. Parar el ventilador y luego colocar la palanca de control de flujo de aire en la
posición 1.
5. Cortar el suministro eléctrico.
6. dejar correr el agua de refrigeración por espacio de 5 minutos y luego cerrar la
válvula.
PRECAUCIONES
1. Previo al encendido, como ya se menciono anteriormente, se debe purgar la
cámara mediante el barrido de posibles rastros de combustible debido a
ensayos anteriores.
2. La temperatura de salida del agua de refrigeración no debe ser mayor de 85
°C, ni menor de 60 °C.
3. Se recomienda que la temperatura de salida de los gases debido a la
combustión sea menor de 60 °C.
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4. Si una vez estabilizada la combustión, ésta se irrumpe produciéndose un
apagón, se debe cerrar inmediatamente la válvula de control manual de
suministro.
BALANCE DE ENERGÍA
Teniendo encuentra que el calor es una forma de energía capaz de transformarse en
otras formas de energía, el balance de energía nos proporciona un medio para
determinar la eficiencia de combustión y los deferentes colores cedidos.
El calor liberado por el combustible al quemarse en la cámara será cedido a:
1. Calor cedido al agua de refrigeración que circula por la camisa de la cámara.
2. Calor cedido a los gases de escape que se van por la chimenea.
3. Calor cedido al agua formada durante el proceso de combustión.
4. calor dejado de recibir a causa de una combustión incompleta.
5. Calor cedido para el calentamiento de la quedad de aire ambiental.
6. Calor que se pierde por radiación, convección y otras pérdidas.
LINEAS GENERALES PARA LA EXPERIENCIA
1. Se enciende la unidad de acuerdo a las instrucciones.
2. se escoge un flujo de combustión (kerosene). Se recomienda sea de 7 Kg/Hr.
3. El flujo de agua debe ser tal que la temperatura de salida del agua sea
aproximadamente 80°C.
4. Para estas condiciones se toma todas las lecturas que se indican en la tabla de
datos.
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IV) CÁLCULOS Y RESULTADOS
Relación de valores tomados en la experiencia
Propano
PROPA
NO
T1 T2 m2 m1 T5 m4 T3 T4
(°C) (°C) (Kg/h) (Kg/h) (°C) (Kg/h) (°C) (°C)
Tent aire Tgas esc maire mGLP TGLP mH2O Tagua ent Tagua sal
28 735 138 11 15 950 20 82
29 694 136 10 14 950 20 76
29 666 137 9 14 950 20 72
29 625 138 8 15 950 20 68
Kerosene
KEROSENE
T1 T2 m2 m3 T6 m4 T3 T4
(°C) (°C) (Kg/h) (Kg/h) (°C) (Kg/h) (°C) (°C)
Tent aire Tgas esc maire mkerosene Tcomb mH2O Tagua ent Tagua sal
29 662 130 10 24 950 20 72
29 620 130 9 23 950 20 67
30 588 131 8 23 950 20 63
29 548 131 7 23 950 20 58
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Procedimiento de cálculo Para el primer punto en el Propano
I) Cálculos previos
Determinación de la relación aire combustible
ra /c=maire
mcomb
ra /c=138 kg /h111 kg/h
=12 . 55
Determinación de los gases de escape en su composición
De la gráfica análisis de gases de escape
Para ra/c = 12.55
%CO 2=10. 4%CO=3. 75%O2=0 . 25
Balanceando la reacción química
C14 .5 H40 .96+22.766(O2+3.76 N2 )→10 . 4CO2+3. 75 CO+0.25 O2+20 .48 H2O+85 . 6 N2
Cantidad de carbón e hidrogeno en el combustible
C=12×X12×X+1×Y
C=12×13 . 612×13 . 6+1×42 .915
=0 . 81kgC
kgcomb
H= 1×Y12×X+1×Y
H= 1×42 .91512×13 .6+1×42 .915
=0 .08kgH
kgcomb
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II) Balance térmico
Calor cedido al agua de refrigeración
Q 1=magua
mcomb
×Cp× (Tsal−Tent )
Calor cedido a los gases de escape
m g=4×(%CO 2 )+(%O2 )+700
3×(%CO 2+%CO )×C
Q 2=m g×Cp× (Tg−Taire ) Calor cedido al agua formada por la combustión
PPH 2O=%H 2O
100+%H 2O×Patm
PPH 2O=20 .48100+20 .48
×1 bar=0. 17 bar
De tablas termodinámicas para líquido saturado
Tsat = 56.4 °C hfg = 2367.1 kJ/kg°C
Q 3=9H ×[4 . 18× (Tsat−Tcom )+hfg+1 . 932×(Tg−Tsat ) ]
Calor perdido por combustión incompleta
Q 4=% CO% CO2+%CO
×23663×C
Calor perdido por calentamiento de la humedad del aire
TBS = 64°F
TBH = 60°F
w = 0.01 kg vapor / kg aire
Q 5=w×ra/c×Cpv×(Tg−TBS ) Calor perdido por radiación, convección y otros
Q 6=PC−∑i=1
5
Qi
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Tabla de valores calculados
Propano
ra/c %CO2 %CO %O2 %N2 %H2O X Y C(kgC/kgcomb)
H(kgH/Kgcomb)
mg(kggases/
kgcomb)
Pparc-
agua(bar)Tsat(°C) hfg(kJ/
kg°C)
12.55
10.40
3.75
0.25
85.60
20.48
14.15
40.96
0.81
0.08
14.08
0.17
56.4 2367.18
13.60
11.80
2.00
0.10
86.10
20.00
13.80
40.00
0.81
0.08
14.54
0.17
56.4 2367.18
15.22
13.40
0.40
0.20
86.00
18.14
13.80
36.29
0.82
0.08
14.93
0.15
53.97 2373.1
17.25
13.25
-
1.25
85.50
16.48
13.25
32.96
0.83
0.08
15.72
0.14
52.33 2377.04
ra/c Q1(kJ/kg)
Q2(kJ/kg)
Q3(kJ/kg)
Q4(kJ/kg)
Q5(kJ/kg)
Q6(kJ/kg)
%Q1 %Q2 %Q3 %Q4 %Q5 %Q6
12.55
22,382.00
9,988.88
2,883.74
5,052.27
173.03
9,784.39
44.53
19.87
5.74
10.05
0.34
19.47
13.60
22,237.60
9,702.42
2,827.45
2,762.28
176.85
12,557.71
44.24
19.30
5.63
5.50
0.35
24.98
15.22
22,943.56
9,546.84
2,786.71
562.60
189.75
14,234.85
45.65
18.99
5.54
1.12
0.38
28.32
17.25
23,826.00
9,400.13
2,723.90
-
201.43
14,112.84
47.40
18.70
5.42
-
0.40
28.08
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Tabla de valores calculados
Kerosene
ra/c %CO2 %CO %O2 %N2 %H2O X Y C(kgC/kgcomb)
H(kgH/Kgcomb)
mg(kggases/
kgcomb)
Pparc-
agua(bar)Tsat(°C) hfg(kJ/
kg°C)
13.00
13.5 0.9 0 85.60
17.63
14.40
35.26
0.83
0.08
14.50
0.15
53.97 2373.1
14.44
14.7 0.8 0.2 84.30
14.24
15.50
28.48
0.87
0.08
14.16
0.12
49.07 2384.92
16.38
13.8 0.3 2.5 83.40
11.46
14.10
22.92
0.88
0.08
15.78
0.10
45.81 2392.8
18.71
10.7 1 5 83.30
11.91
11.70
23.82
0.85
0.08
18.21
0.11
47.44 2388.86
ra/c Q1(kJ/kg)
Q2(kJ/kg)
Q3(kJ/kg)
Q4(kJ/kg)
Q5(kJ/kg)
Q6(kJ/kg)
%Q1 %Q2 %Q3 %Q4 %Q5 %Q6
13.00
20,649.20
9,207.80
2,749.42
1,228.28
161.05
16,268.55
41.08
18.32
5.47
2.44
0.32
32.37
14.44
20,737.44
8,394.95
2,690.87
1,059.14
167.28
17,214.62
41.26
16.70
5.35
2.11
0.33
34.25
16.38
21,344.13
8,833.41
2,643.28
443.40
179.56
16,820.53
42.46
17.57
5.26
0.88
0.36
33.46
18.71
21,556.86
9,486.63
2,585.84
1,729.15
190.81
14,715.01
42.89
18.87
5.14
3.44
0.38
29.28
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Diagrama de Sankey
Propano
ra/c = 12.55
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44.53%
19.87
5.7410.05
0.74
19.47
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12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 -
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
Variacion de los gases de escape en funcion de la relacion aire combustible
Propano%CO2
Propano%CO
Propano%O2
Kerosene%CO2
kerosene%CO
kerosene%O2
r a/c
ANAL
ISIS
(%)
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V) OBSERVACIONES
Fue necesario el precalentamiento para el encendido correcto de la cámara de
combustión.
Para el balance se recomienda que el flujo de aire se encuentre entre 125-130
Kg/hr, y un flujo de combustible de aproximadamente entre 8-9.5 Kg/hr, para
que la relación aire combustible este cercana al estequiométrica (Ra/c =14.7).
En el ensayo de laboratorio no se realizó el análisis de Bacharach, ya que no se
contaba con el equipo, pero para el cálculo de la fórmula empírica del
combustible se emplearon gráficas proporcionadas por el tutor de la experiencia.
Se ha tomado en consideración que el poder calorífico del combustible es igual a
PC= 50264 .3
kJkgcomb .
VI) CONCLUSIONES
Realizando los cálculos del análisis grafico, se encontró que para los diferentes
valores de relación aire combustible se obtuvieron valores diferentes de “x e y”
de la formula química para el combustible (C X HY ), esto es debido a que la
mezcla no es homogénea con el cambio de la presión y temperatura, de esta
manera cambiarían los parámetros “C”y “H” empleado para el cálculo del calor
cedido al agua por los gases, entonces para cada relación aire combustible se ha
calculado la perdida de estos calores.
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De los cálculos se observa que de los todos los calores el calor útil es el mayor
de ellos que viene dado por el cedido al agua por los gases así como el menor de
todos los calculados es el calor perdido por calentamiento de la humedad, esto se
cumple los análisis de los diferentes tipos de combustibles.
De los cálculos se obtiene que para el empleo del combustible propano los
valores de “x e y” (CX HY ), son ligeramente menores con respecto a los
obtenidos en el kerosene.
Con relación a los porcentajes de los calores absorbidos, con el kerosene se
obtuvieron calores absorbidos por el agua de hasta 42.89% y esto se da con una
Raire /comb =18.71 y para el análisis con el propano obtuvo hasta 47.4% de calor
absorbido por el agua, para una Raire /comb =17.25.
Se observa de los cálculos un comportamiento creciente del calor absorbido por
el agua conforme aumenta la relación Raire /comb , para ambos casos tanto el
kerosene como el del propano.
Según los valores obtenidos con el uso del propano se obtienen menores
porcentajes de CO2 al aumentar la relación de aire – combustible; en cambio,
con el kerosene aumenta hasta llegar a un porcentaje máximo para luego
disminuir con respecto también a la relación de aire – combustible.
En la mayoría de los casos, ya sea con propano o kerosene, se aprecia que la
perdida de calor por combustión incompleta se presenta en pequeños
porcentajes. Esto nos indica que en la mayoría de las relaciones aire-combustible
se produjo una combustión con la suficiente cantidad de aire para ser completa.
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