Estudio de Combustibles

8/16/2019 Estudio de Combustibles

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA- Facultad de IngenieríaMecánica

2015

UNIVERSIDAD NACIONAL DEINGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

INFORME DE LABORATORIO N° 5

C RSO: LABORATORIO DE INGENIERÍA

MECÁNICA i

Sección: A

Autoe!: Ai"ui#$ %o&e 'e(o Mi)$i*

A*+ono, Dionicio %-on. Teo(oo

Ben$/i(e! Ro)$! Die&o An0+$*

C$!ti**o F$12n M$nue* 3u4+eto

C!#e(e! C-$u#i! 6$!!e Lenin

FEC3A DE REALI7ACI8N DEL E9'ERIMENTO : 28 de octubre de

2015

FEC3A DE ENTREGA DEL INFORME : 03 de noviembre de

ESTUDIO DECOMBUSTIBLES


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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA- Facultad de IngenieríaMecánica

2015

2015

INDICE

INTRODUCCIÓN...........................................................................................................................................................

OB!TI"O#....................................................................................................................................................................

$UNDA%!NTO T!ÓRICO...........................................................................................................................................

%AT!RIA&!# UTI&I'ADO#........................................................................................................................................

(ROC!DI%I!NTO.........................................................................................................................................................

C)&CU&O# * R!#U&TADO#......................................................................................................................................

CONC&U#ION!#...........................................................................................................................................................

R!CO%!NDACION!#..................................................................................................................................................

BIB&IO+RA$IA.............................................................................................................................................................

INTRODUCCIÓN

.

En el presente informe de laboratorio de abordó el tema de “Medición de

potencia y velocidad”. Para realizar este laboratorio utilizamos dos equipos de

uso frecuente en la industria, los cuales son: la turbina Francis y los

compresores de alta y baa presión.

!e realizaron medidas de presión y velocidad en ambos equipos y se realizaron

c"lculos, a partir de los cuales elaboramos nuestras conclusiones.


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.ESTUDIO DE

COMBUSIBLES

OBJETIVOS

#eterminar el valor calor$fico o Poder %alor$fico del combustible.

#eterminar los puntos de inflamación y de combustión.

&prender y conocer los m'todos de c"lculos.


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FUNDAMENTO TEÓRICO

!e define al combustible como toda aquella sustancia que al o(idarse con uncomburente desarrolla un )ran calor.

4.1.- TIPOS DE COMBUSTIBLES

E(isten tres tipos de combustibles: sólidos, l$quidos y )aseosos.

a) Combus!b"#s S$"!%os

&qu$ tenemos la le*a, carbones naturales o artificiales, ba)azo, etc.

El carbón es el m"s representativo de esta a)rupación. El carbón mineral es uncombustible sólido ne)ro o ne)ro parduzco, compuesto esencialmente de carbono,+idró)eno, o($)eno y peque*as cantidades de nitró)eno y azufre.

%lasificación de los carbones minerales por cate)or$as &!-M:

/0 &1-2&%3-&: tenemos la meta antracita, antracita y semi antracita.

40 53-6M317!7: estos se clasifican se)8n su volatilidad: baa, media y alta.

90 !6553-6M317!7: se diferencian de los primeros en que presentan mayor+umedad y se desinte)ran al e(ponerse al aire.

0 ;3 tambi'n tenemos los alco+oles, tanto de cereales,de madera y de ca*a.

P#($"#o ;os petróleos crudos son mezclas muy compleas, que consiste sobre todoen +idrocarburos y en compuestos que contienen azufre, nitró)eno, o($)eno y trazasde metales, como constituyentes menores. ;as caracter$sticas f$sicas y qu$micas delos petróleos crudos var$an muc+o, se)8n los porcentaes de sus diversoscompuestos. ;as densidades espec$ficas cubren un intervalo amplio, pero la mayor$ase encuentran entre ?.@? y ?.AB )Cml, o la )ravedad tiene valores comprendidos entreD y /9 )rados &P3.

-ambi'n +ay una )ran variedad de viscosidades, pero para la mayor parte de loscrudos se encuentra entre 4.9 y 49 centisto=es. ;a composición 8ltima se*ala un

;


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contenido de @ a @ de carbono, /? a / de +idró)eno y peque*os porcentaesde azufre, nitró)eno y o($)eno.

R#*!+a%o %#" ,#($"#o (u%o ;os petróleos crudos se usan raras veces comocombustible, porque son m"s valiosos cuando se refinan para formar otros productos.El primer proceso de refinado es ordinariamente una destilación simple, que separa elpetróleo crudo en fracciones que corresponden, apro(imadamente en punto deebullición a la )asolina, =eroseno, el aceite de )as, el aceite lubricante y los residuos.;a desinte)ración catal$tica o t'rmica Gcrac=in)G se emplea para convertir =eroseno,aceite de )as G)as oilG o residuos de petróleo en )asolinas, fracciones depunto de ebullición m"s bao y coque residual. El reformado catal$tico, laisomerización, alquilación, polimerización, +idro)enación y las combinaciones de estosprocesos catal$ticos se emplean para transformar los productos intermedios de

refinación en )asolinas o destilados meorados.

#(os#+o: Es menos vol"til que la )asolina y tiene un punto de flas+eo m"s alto, paraproporcionar mayor se)uridad en su maneo. 7tras pruebas de calidad son: densidadespec$fica, color, olor, intervalo de destilación, contenido de azufre y calidad decombustión. ;a mayor parte del queroseno se emplea para calefacción en +ornillos deestufas e iluminación> se trata con "cido sulf8rico, para reducir el contenido dearom"ticos, que se queman con flama que produce +umo.

Combus!b"# %!#s#" ;os motores diesel van desde los peque*os, de alta velocidad,

utilizados en los camiones y autobuses, +asta los )randes, motores estacionarios debaa velocidad, utilizados en las plantas de potencia> en consecuencia se requierendiversos )rados de combustibles diesel.

;os )rados &!-M de combustibles adecuados para diferentes clases deservicio son:

/(a%o 1-D &ceite combustible destilado, vol"til, para motores cuyo serviciorequiera cambios frecuentes de velocidad y de car)a.

/(a%o 0-D &ceite combustible destilado, de baa volatibilidad, para motores enservicio industrial o servicio móvil pesado.

/(a%o 4-D &ceite combustible para motores de velocidad baa y media.

;os an"lisis anuales de combustibles proporcionan una )u$a adicional paraseleccionar los combustibles, a)rup"ndolos de acuerdo con los si)uientes tipos deservicio:

T!,o C-B &ceites combustibles diesel para autobuses urbanos y operacionessimilares.


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T!,o T-T %ombustibles para motores diesel de camiones, tractores y serviciossimilares.

T!,o R-R %ombustibles para motores diesel de ferrocarriles.

T!,o S-M #estilado pesado y aceites residuales para )randes motores dieselestacionarios y motores marinos.

;as caracter$sticas de combustión de los motores diesel se e(presan ent'rminos del +m#(o %# #a+o, medida del retraso de i)nición.

En la norma &!-M se especifican cuatro )rados de combustibles de turbina de)as de acuerdo con su empleo en diferentes clases de motores y se)8n los diversos

tipos de servicio. !e describen como si)ue:

/(a%o 1-/T. #estilado vol"til para turbinas de )as que requieren uncombustible que se queme en forma m"s clara que el de )rado 40


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3 : El li)ero, puede requerir precalentamiento, se)8n el clima y el equipo. Elpesado, puede requerir precalentamiento para quemarse y en climas fr$os, puede ser necesario para manearlo.

3 5: 1ecesita precalentamiento para quemarse y manearlo.

NUMERO DE OCTANO

Es una forma de medir, arbitraria la capacidad antidetonante de un combustible. ;adeterminación e(perimental del octanae de un combustible se +ace se)8n el si)uientecriterio: Se toman como base de comparación dos combustibles el iso-octano, derelativamente buena propiedad antidetonante y se le adjudica el número octano 100 y

el n-eptano de baja calidad antidetonante al que se le adjudica el número octano 0.

!e observa la m"(ima relación de compresión con la que puede trabaar elcombustible cuyo octanae se desea determinar.

!e mezclan diferentes proporciones de isoctano y n0eptano +asta lo)rar una mezclade i)ual comportamiento antidetonante que el combustible en cuestión.

El n8mero de octano est" determinado por el porcentae del iso0octano presente en lamezcla resultante.

EL NUMERO CETANO

El n8mero cetano, es a los combustibles diesel lo que el n8mero octano es a loscombustibles para motores de e(plosión, y mide en este caso la cualidad de i)nición oautoencendido de un combustible diesel.

En los motores diesel, el combustible auto encenderse al in)resar en el cilindro yencontrar el aire, en su interior, a una cierta presión y temperatura. El n8mero cetanomide la cualidad de i)nición del combustible.

!u determinación se +ace de forma similar a la del n8mero octano, tomando en estecaso, como referencias, el cetano %/I9 n8mero cetano /?? y al alfa0metilnaftaleno%//I/? n8mero cetano ?.

&s$ un combustible con n8mero cetano B? tendr" la misma cualidad de i)nición queuna mezcla de B? de cetano %/I9 y 9? de alfa0metilnaftaleno %//I/. ;ospetroleos )eneralmente tienen un numero de cetano de apro(imadamente de 4 a .

) Combus!b"#s /as#osos

%ombustibles que se encuentran en estado natural o artificial en forma de )as>

al)unos provienen de la e(tracción natural, tal como el )as natural, cuyo proceso de

=


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refinamiento da una serie de diferentes tipos> en cuanto al m"s usado especialmenteel de tipo dom'stico es el propano.

Ca(a#(&s!as %# a"6u+os Combus!b"#s:

PE-2J;E7 #3E!E;

% K @90@B

I K //0/

7L% K ?0B

! K ?0


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4.0.- PROPIEDADES F7SICAS DE PRODUCTOS DEL PETRÓLEO

4.0.1.- PODER CALOR7FICO

Es la m"(ima cantidad de calor que puede transferirse de los productos de lacombustión completa, cuando estos son enfriados desde la temperatura de lallama adiab"tica +asta la temperatura inicial de la mezcla aire combustible. !ee(presa por unidad de masa de combustible.

!u valor depender" de la cantidad de vapor de a)ua condensado y de acuerdoal proceso de combustión a presión constante o a volumen constante.

Po%#( a"o(&*!o a"o Es el que se obtiene cuando el vapor de a)ua formadodurante la combustión condensa totalmente, al enfriar los productos +asta latemperatura de los reactantes.

Po%#( a"o(&*!o ba8o Es el que se obtiene cuando el vapor de a)ua nocondensa, al enfriar los productos +asta la temperatura de los reactantes. !epuede demostrar que:

P%& 0 P%3 K %&;72 ;&-E1-E del vapor de a)ua

Po%#( a"o(&*!o a 9o"um#+ o+sa+# !e determina en un proceso decombustión a volumen constante. Para el efecto se realiza un ensayo en labomba calor$metrica. Este m'todo es utilizado para combustibles l$quidos ysólidos.

Estos pueden determinarse anal$ticamente mediante la si)uiente relación:

P%Kcte K 6p 0 6r

6p: Ener)$a interna de los productos.

6r: Ener)$a interna de los reactantes.

7 tambi'n puede calcularse en productos e(entos de impurezas, por lafórmula:

P%Kcte K 4494? 0 9B@? d4

P%: poder calor$fico a volumen constante en 5tuClb

d : densidad espec$fica a ?C?oF

Po%#( a"o(&*!o a ,(#s!$+ o+sa+# !e determina en un proceso decombustión a presión constante en un sistema o en un proceso de fluo y estado


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estables. El ensayo se realiza en un calor$metro para )as del tipo de fluocontinuo.

&nal$ticamente se puede calcular mediante la si)uiente ecuación:

P%PKcte K Ip N Ir Ip: Entalp$a de los productos.

Ir: Entalp$a de los reactantes.

7 por la ecuación:

P%PKcte K P%Kcte 0 A?.@ I

En donde I es el porcentae, en peso, de +idró)eno que se obtiene por:

I K 4 0 /D d

La Bomba a"o(!m:(!a

!e utiliza para determinar el valor calor$fico de un combustible cuando se lequema a volumen constante. Iay varios tipos de bombas calorim'tricas, tales

como &tOater, #avis, Emerson, Mabler, Parr, Peters, y illiams.

BOMBA CALORIM;TRICA DE EMERSON

5asa su funcionamiento en los principios de transferencia de calor para lo cualse lleva una cantidad determinada de combustible +asta su temperatura dei)nición> el calor desarrollado por la combustión es transmitido a un elementofluido a)ua en nuestro caso> lo cual nos permite medir el calor liberado por elcombustible.

El poder calor$fico obtenido es a volumen constante puesto que no +ay fluidom"sico> cabe mencionar que este difiere muy poco del poder calor$fico a presiónconstante / por tanto para c"lculos de in)enier$a pueden tomarseindistintivamente estos poderes calor$ficos mencionados.

Esta bomba presentadas por una camiseta de a)ua se)8n se aprecia en lafi)ura mostrada mas adelante pudiendo a)re)arse calor desde un medio e(terno+acia esta camiseta obteni'ndose entonces condiciones de temperaturauniformes con el adecuado control de esta transferencia de calor. %omo se)undaalternativa podr$amos dear esta camiseta vac$a y obtener condiciones consimilitud adiab"tica.

%onsiderando la bomba como un sistema cerrado a volumen constante tenemos:


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&ntes de encendido:+=

#espu's del encendido: =

#onde el an"lisis es considerado a condiciones est"ndar, o sea BBQF, 4DQ% y 4Datm y el medio interior esta saturado de a)ua> por lo tanto el vapor de a)uaformado es 8nicamente producto de la combustión> el cual al ser enfriado untocon los productos +asta las condiciones est"ndar cede su calor obteni'ndose deeste modo el valor del poder calor$fico alto o superior donde:

6 representa ener)$a interna

Ec representa ener)$a qu$mica

;os sub$ndices “r”, “p” y “t” se refieren a: reactivos, productos y totalrespectivamente. &s$ mismo, condiciones “?” son est"ndar.

Entonces la ener)$a que sale del sistema se)8n los estados / y 4 del esquemaanterior:

/ra ;ey de la -ermodin"mica: =

=− ...3 !istema cerrado, no +ay trabao K?

−+= ...33

+−= ...333 RcalCR) de combustible en proceso-Kcte

Por otra parte:

11 cr t

U E =

%onsiderando / y 4 dos estados en combustiónadiab"tica. S K ?


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#e 3: =−

==− !e)8n la ecuación 333

Por tanto: +−=−

−−−=

En proceso de combustión adiab"tica

!i el I47 se condensa obtenemos el poder calor$fico bao a volumen constante>en cambio si es condensada despu's de la combustión obtenemos el podercalor$fico alto.

-al como se indicó l$neas atr"s, este poder calor$fico se obtenido a volumenconstante y su diferencia con el poder calor$fico a presión constante encontradousualmente en tablas radica en:

#e 33: +−=

!e sabe que: = y =

Entonces:

+−= ...3

33 en 3: +−+−=

Por lo tanto:


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nn −=− RcalCR) combustible

#ónde:

nr : n8mero de moles de reactantes )aseosos.

np : numero de moles de productos de combustión, disipadores de calor%74

1ota: &mbos obtenidos del balance de la ecuación de combustión. !e +a +allado

que el valor promedio de nn − es de / , por lo tanto en c"lculos dein)enier$a es aceptable.

-al como se +a visto anteriormente la 8nica ener)$a que cruza el sistema esque es el calor que aprovec+a el a)ua contenida en el interior de la bomba. Porlo tanto, conociendo esta masa de a)ua, masa y calor especifico del recipiente,masa de combustible y la curva de calentamiento y enfriamiento transitorio esfactible +allar la ener)$a calor$fica disipada durante el proceso de combustión.

m ⋅= %alor cedido por el combustible

⋅⋅= %alor )anado por la bomba

m ⋅⋅= %alor )anado por el a)ua.

+=

mm ⋅⋅+⋅⋅=

Ta que K entonces:O H O H B B

c P 22

⋅⋅⋅

=


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#ónde: mm ⋅+⋅

se conoce como capacidad t'rmica deabsorción de la bomba y es dato proporcionado por el fabricante R.

Este poder calor$fico es necesario corre)irlo por el calor liberado por el fusibleapro(. /?? calC)r, por formación de "cido n$trico 49? calC)r de "cido n$tricoen trabaos de menor precisión tomar /? cal, por formación de "cido sulf8rico/9?? calC)r de azufre presente en la muestra.

El calor desprendido del sistema a Kcte. Es enfriado a su temperatura ori)inal yusando factores correctivos para condiciones standard 4DQ% es posible obtener el valor calor$fico:

Pc =

#onde:

R: 4? calCQ% capacidad t'rmica de la absorción de la bomba, datoproporcionado por el fabricante

c: volumen del combustible cm9

ρc: densidad del combustible )rCcm9

asi mismo:

T < =Tma> ? T @ P0 ? P1) C

#onde:

-ma( K temperatura m"(ima alcanzada

-c K -emperatura en el instante de encendido

2211 T P T P ×=×=

P/, P4: Factores correctores

2/: 2')imen de aumento de la temperatura por minuto antes deencendido.

24: 2')imen de disminución de temperatura despu's del m"(imo.


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-/: -iempo transcurrido desde el momento de encendido +astaalcanzar la temperatura ambiente

-4: -iempo trascurrido desde -m"( a -ambiente.

MATERIALES UTILIADOS

5omba calorim'trica de Emerson

#iesel 4 /)r de combustible


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-ermómetros

%ronómetro


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&lambre de una aleación de micrón

&)itador

Fuente de alimentación


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PROCEDIMIENTO

0 Pesar el recipiente interior del calor$metro vac$o. Poner /A?? ) de a)ua,con una temperatura de unos 9 UVFW, apro(. 4 UV%W por debao de latemperatura de la camisa e(terna. !e supone que el a)ua de la camisaest" a temperatura ambiente.

0 6na cantidad de combustible / Ucm 9W se coloca en el crisol. Ele)ir unalon)itud adecuada de un alambre de +ierro puro y de apro(imadamente?,4D mm de di"metro, pesarlo e instalarlo a modo de bobina. Esta bobinadebe tocar el l$quido, pero no el crisol.

0 !e satura el espacio con unas cuantas )otas alrededor de ?,D ml dea)ua al fondo de la bomba para saturar el espacio. Esto causar" lacondensación completa del vapor de combustión, de modo que seobtendr" el Poder %alor$fico !uperior.

0 &rmar la bomba con cuidado para no derramar el combustible fuera delcrisol por sacudir o )olpear la bomba.

0 %ar)ue la bomba con o($)eno a una presión de apro(imadamente 4?=)Ccm 4> y sumera la bomba en a)ua para ver que no +aya fu)as.%oloque la bomba en el recipiente interior. 3nstale el termómetro y ela)itador. El termómetro debe de estar sumer)ido por lo menos BD mm enel a)ua y a no menos de /4 mm de la bomba.


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0 Pon)a en marc+a el a)itador. #ee transcurrir de 9 a minutos para quese uniformice la temperatura del a)ua en el recipiente y tome lecturas de

temperatura cada minuto durante cinco minutos. Estas lecturas se utilizanpara calcular la p'rdida de calor a la camisa e(terna.

0 El combustible se enciende al +acer circular corriente el'ctrica por elalambre y por estar la bomba llena de o($)eno 9?? Upsi)W.

0 2e)istre la temperatura cada 9? se)undos +asta que se alcance latemperatura m"(ima. El observador del termómetro debe estar muyalerta, porque el aumento de temperatura es muy )rande inmediatamentedespu's del encendido.

06na vez alcanzada la m"(ima temperatura, se continuar" tomandolecturas cada minuto durante cinco minutos. Estas temperaturas senecesitan para calcular la p'rdida de calor a la camisa e(terna.

0 !aque la bomba del calor$metro, suelte los )ases y desarme la bomba.Xunte y pee el alambre del fusible que queda.

0 El calor desprendido del sistema a volumen constante es enfriado a sutemperatura ori)inal y usando factores de corrección para condiciones de

temperatura de 4D UV%W, se tiene el Poder %alor$fico:0 Pesar los restos del alambre de i)nición. ;impiar la bomba y repetir elensayo. !i los resultados del se)undo ensayo difieren en mas de/ por ciento con os del primer ensayo, ser" necesario +acer uno o m"s ensayosulteriores. El producto del peso del a)ua por el aumento verdadero detemperatura del a)ua dividido por el peso de la muestra de combustibledebe coincidir con el mismo valor, muy apro(imadamente, en todos losensayos.

CLCULOS RESULTADOS

CONCLUSIONES


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RECOMENDACIONES

BIBLIO/RAFIA

Mec"nica de fluidos aplicada, 2obert mott, ta edición.

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