OPTIMIZACIÓN Y ENSAYOS DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN DE ...

IM-2006-II-10

OPTIMIZACIÓN Y ENSAYOS DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN DE

CARBÓN GRANULADO

Elaborado por:

JORGE ENRIQUE FONSECA AGUIRRE

Asesor:

Rafael Beltrán Pulido

MSc.

PROYECTO DE GRADO

FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

BOGOTÁ, DICIEMBRE 2006

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i

AGRADECIMIENTOS Este proyecto de grado es producto del apoyo brindado por mi familia en especial

de mis abuelos y mi mamá, así mismo fue un logro alcanzo por el soporte que me

entregaron mis tíos con el fin de verme crecer como persona y así alcanzar

grandes metas en la vida. También quiero agradecer por el apoyo y colaboración

manifestada por Claudia Guarín y mis compañeros.

Finalmente, le agradezco a mi asesor, el ingeniero Rafael Beltrán Pulido, por toda

la atención, conocimiento y experiencia que le aportó al proyecto y a todo el

personal del departamento de Ingeriría Mecánica que me colaboró.

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CARTA DE PRESENTACIÓN Bogotá, enero 18 de 2007 Ingeniero Luir Mario Mateus Sandoval Director Departamento de Ingeniería Mecánica Universidad de Los Andes Por medio de la presente me permito poner en consideración el proyecto de grado

titulado “OPTIMIZACIÓN Y ENSAYOS DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN DE

CARBÓN GRANULADO”, el cual, se desarrolló como requisito para el

cumplimiento del programa de pregrado de Ingeniería Mecánica. Agradezco su amable atención. Cordialmente, Jorge E. Fonseca C.C. 80040614

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RESUMEN El presente trabajo muestra la implementación de varios componentes a la cámara

de combustión de carbón mineral granulado desarrollada en un proyecto de grado

previo, los cuales se modifican y construyen, con el fin de que su funcionamiento

se realice de manera controlada y así poder encontrar el punto en cual su

operación es óptima.

Así mismo se explica cómo es el proceso de combustión de un combustible sólido,

específicamente del carbón y cómo se clasifica y se encuentra la relación aire-

combustible teórica para satisfacer una mezcla estiqueométrica.

Finalmente, una vez se han implementado cada uno de los nuevos sistemas, para

dos diferentes tipos de carbón a los que se le conoce su composición química

producto del análisis próximo, se muestran los resultados de las pruebas

realizadas a la cámara, así como las conclusiones y recomendaciones que de

ellas se infieren.

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TABLA DE CONTENIDO

AGRADECIMIENTOS .......................................................................................................... i

CARTA DE PRESENTACIÓN ........................................................................................... ii

RESUMEN ........................................................................................................................... iii

TABLA DE CONTENIDO....................................................................................................iv

TABLA DE ILUSTRACIONES............................................................................................vi

INTRODUCCIÓN.................................................................................................................1

OBJETIVOS ..........................................................................................................................3

1. MARCO TEÓRICO......................................................................................................4

1.1. Proceso de combustión de los combustibles sólidos.....................................4

1.2. Características del carbón mineral....................................................................5

1.3. Combustión en lecho fijo.....................................................................................8

2. ANÁLISIS DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN DE CARBÓN MINERAL

GRANULADO EXISTENTE..............................................................................................11

2.1. Descripción de la cámara de combustión......................................................11

2.2. Procedimiento de operación de la cámara de combustión.........................12

2.3. Conclusiones del capítulo.................................................................................13

3. MODIFICACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE AIRE ......................14

3.1. Diseño del sistema de alimentación de aire primario y secundario...........14

3.2. Construcción del sistema de alimentación de aire primario y secundario20


4. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE CARBÓN ........25

4.1. Diseño del sistema de alimentación de carbón.............................................25

4.2. Construcción del sistema de alimentación de carbón..................................29


5. IMPLEMENTACION DEL DISPOSITIVO PARA LA ELIMINACION DE LA

CENIZA................................................................................................................................32

5.1. Consideraciones de diseño..............................................................................32

5.2. Implementación del dispositivo........................................................................33


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6. CALIBRACIÓN DE LOS SISTEMAS DE ALIMENTACION DE AIRE Y DE

CARBÓN .............................................................................................................................37

6.1. Calibración del sistema de alimentación de aire primario y secundario...37

6.2. Calibración del dispositivo de alimentación de carbón................................43


7. ENSAYO DE CÁMARA DE COMBUSTIÓN..........................................................46

7.1. Experimento........................................................................................................46

7.2. Tipo de combustible empleado para las pruebas.........................................49

7.3. Resultados ..........................................................................................................54


CONCLUCIONES..............................................................................................................61

RECOMENDACIONES .....................................................................................................64

BILIOGRAFÍA .....................................................................................................................66

ANEXOS..............................................................................................................................67

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TABLA DE ILUSTRACIONES

Figuras

Figura 1-1: Esquema del quemador................................................................................9

Figura 3-1: Tipos de medidor de caudal en conductos ..............................................15

Figura 3-2: Esquema de tubo Venturi............................................................................17

Figura 6-1: Distribución de puntos de medición del caudal para tubo Venturi del

aire primario (unidades en mm).......................................................................................39


aire secundario (unidades en mm)..................................................................................42

Gráficas Gráfica 1-1: Estimación del análisis último......................................................................7

Gráfica 6-1: Curva característica del tubo Venturi, aire primario ...............................40

Gráfica 6-2: Curva de corrección de caudal para tubo Venturi, aire primario..........41

Gráfica 6-3: Curva característica del tubo Venturi, aire secundario..........................42

Gráfica 6-4: Curva de corrección de caudal para Venturi, aire secundario..............43

Gráfica 6-5: Volumen desplazado por vuelta, en función de la velocidad de giro del

sinfín.....................................................................................................................................44

Gráfica 7-1: Temperatura de la cámara.........................................................................55

Gráfica 7-2: Concentración de oxigeno en las emisiones...........................................56

Gráfica 7-3: Concentración de dióxido de carbono......................................................57

Gráfica 7-4: Relación aire-combustible actual...............................................................58

Gráfica 7-5: Coeficiente de dilución................................................................................59

Imágenes

Imagen 2-1: Cámara de combustión desarrollada en el proyecto de grado anterior

..............................................................................................................................................12

Imagen 3-1: Ventiladores para sistema de alimentación de aire primario y

secundario...........................................................................................................................14

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Imagen 3-2: Plantillas del perfil del tubo Venturi para el aire primario y secundario

..............................................................................................................................................21

Imagen 3-3: Lámina cortada y doblada al perfil preestablecido.................................22

Imagen 3-4: Venturi soldado para sistema de alimentación de aire secundario.....22

Imagen 3-5: Válvula para regular caudal aire primario................................................23

Imagen 3-6: Tubo en “U”...................................................................................................23

Imagen 4-1: Tamaño de carbón seleccionado para la alimentación de la cámara.26

Imagen 4-2: Elementos del sistema de alimentación de carbón................................30

Imagen 4-3: Sistema de alimentación de carbón.........................................................31

Imagen 5-1: Residuos de la combustión........................................................................33

Imagen 5-2: Parrilla ...........................................................................................................34

Imagen 5-3: Eje con levas................................................................................................34

Imagen 5-4: Sistema de eliminación de cenizas...........................................................35

Imagen 7-1: Análisis de gases Testo 330-2..................................................................47

Imagen 7-2: Pruebas de combustión..............................................................................54

Tablas

Tabla 3-1: Dimensiones de salida de los ventiladores.................................................16

Tabla 3-2: Condiciones de operación para diseño de Venturi aire primario ............18

Tabla 3-3: Valores de altura del tubo en "U".................................................................18

Tabla 3-4: Condiciones de operación para diseño de Venturi aire secundario.......19

Tabla 3-5: Valores de altura del tubo en "U".................................................................19

Tabla 3-6: Largo de la garganta del tubo Venturi .........................................................20

Tabla 4-1: Estimación del volumen desplazado por vuelta del sinfín........................27

Tabla 4-2: Estimación de volumen a partir de geometrías estándares en el

mercado...............................................................................................................................27

Tabla 4-3: Corrección del volumen real desplazado por vuelta .................................27

Tabla 4-4: Diferencia entre volumen y masa (real vs. necesario)..............................28

Tabla 4-5: Número de roscas del tornillo sinfín.............................................................28

Tabla 7-1: Clasificación del carbón.................................................................................50

Tabla 7-2: Análisis próximo carbón 1.............................................................................50

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Tabla 7-3: Análisis próximo carbón 2.............................................................................51

Tabla 7-4: Análisis último carbón 1.................................................................................51

Tabla 7-5: Análisis último carbón 2.................................................................................51

Tabla 7-6: Relación aire-combustible teórica................................................................52

Tabla 7-7: Poder calorífico del carbón............................................................................52

Tabla 7-8: Parámetros de la prueba...............................................................................53

Tabla 7-9: Caudal de aire para combustión ideal.........................................................53

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1

INTRODUCCIÓN A partir de la necesidad de transformar la energía de manera eficiente y

económica, con este trabajo de grado se pretende dar continuación a la idea de

optimizar y facilitar la consecución de energía en forma de calor, mediante la

correcta combustión del carbón mineral granulado, el cual, es el combustible

sólido más usado en la industria, ya que se consigue fácilmente y a bajo costo

siendo una gran competencia de los hidrocarburos.

Debido a que se desarrolló en un trabajo de grado previo una cámara de

combustión de carbón mineral, se pretende optimizar el funcionamiento de ésta

para convertirla en una alternativa competitiva para la pequeña industria. En esta

cámara, el carbón mineral se logra quemar de forma granular y no es necesario

pulverizarlo, labor que incrementaría los costos de operación y dificultaría el

proceso.

Con la implementación de un nuevo sistema que pueda controlar el caudal de aire

que esté alimentando la cámara es posible identificar y establecer el punto en el

cual ésta funciona de manera más limpia, con el fin de ser más amigable con el

medio ambiente, factor que cada día se hace más necesario para la correcta

operación de las industrias, pues éstas deben asegurar el cumplimiento de todas

las legislaciones existentes impuestas por los diferentes organismos del gobierno.

Igualmente, debe considerarse que al enfocarse el diseño de esta cámara hacia la

pequeña industria se busca satisfacer las necesidades de dicho mercado. Por esta

razón, se pretende a lo largo del trabajo, lograr una fabricación sencilla y de bajo

costo y de igual manera, que su forma de operación sea fácil, para que así no se

requiera un alto grado de capacitación.

Finalmente, gracias a que es un equipo que está a disposición del laboratorio del

departamento de Ingeniería Mecánica, es posible llevar a cabo pruebas de

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carácter académico con el fin de que los estudiantes puedan conocer más a fondo

el proceso de quema de un combustible sólido, además de temas relacionados

con transferencia de calor y hacer estudios de análisis de gases para comprender

la importancia de satisfacer la relación aire-combustible adecuada en un proceso

de combustión.

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OBJETIVOS

Objetivo general Complementar el montaje de la cámara de combustión de carbón granulado

desarrollado por Alejandro Chacón Bernal para realizar ensayos de combustión,

con el fin de optimizar la quema del carbón.

Objetivos particulares

• Analizar el diseño de la cámara de combustión realizado por Alejandro Chacón

Bernal con el fin de encontrar mejores soluciones para la quema del carbón.

• Modificar el sistema de alimentación del aire primario y secundario de la

cámara de combustión.

• Diseñar y construir el sistema de alimentación del carbón para la cámara de

combustión.

• Implementar el cenicero con el fin de que pueda eliminar la ceniza a medida

que va operando la cámara de combustión y así poder funcionar por un largo

periodo.

• Diseñar una serie de experimentos con carbón granulado :

o Conseguir diferentes tipos de carbón granulado, tales como andraciticos

y/o bituminosos de alto y bajo contenido de energía.

o Realizar pruebas de combustión de los diferentes tipos de carbón

utilizando el analizador de gases, con el fin de calibrar la cantidad de

aire primario y secundario que mejor se adapte a la condición de

combustión.

• Reportar los resultados obtenidos de las pruebas

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1. MARCO TEÓRICO

La consecución de energía a partir de una fuente de fácil acceso y bajo costo se

ha convertido en una importante problemática que tiene la sociedad actualmente.

Para dar solución a ésta, el hombre cuenta con el carbón mineral, el cual es un

recurso natural abundante que posee una gran cantidad de energía química

almacenada, por esta razón, el objetivo fundamental del presente proyecto de

grado es encontrar y dar a conocer una forma de aprovechar dicha energía de una

forma sencilla y económica en procesos industriales.

Como primera medida, para llevar a cabo la quema de este combustible sólido es

necesario comprender cuáles son los procesos que intervienen en ésta:

1.1. Proceso de combustión de los combustibles sólidos

En el proceso de combustión del carbón mineral, combustible sólido con el que se

alimentará la cámara, se presentan diversos fenómenos.

En primer lugar, según Borman (1998), cuando el combustible entra en el lecho

donde se está llevando a cabo la combustión, éste comienza a eliminar la

humedad que contiene, saliendo ésta en forma de vapor antes de que las

sustancias volátiles se liberen. Este proceso de secado del combustible sólido

tiene la desventaja que consume energía del sistema, por esta razón, entre menor

sea la humedad del carbón, mejor será su funcionamiento. Por otro lado, el

tamaño de la partícula es determínate, debido a que si el trozo de carbón es muy

grande, la humedad que hay en su interior tardará mayor tiempo en eliminarse.

Una vez se elimina completamente la humedad del carbón, la temperatura se

incrementa y comienza la fase donde las partículas volátiles se desprenden; si

éstas salen a través de los poros del combustible, se genera la obstrucción del

flujo de aire externo, lo que ocasiona un fenómeno llamado pilorisis. El

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comportamiento de este fenómeno depende de la temperatura y del tipo de

combustible, para partículas grandes, el tiempo requerido para llegar a la

temperatura en la que ocurre el proceso de pilorisis es mayor.

Una vez ocurre la eliminación de las partículas volátiles, el carbón fijo queda en la

superficie del grano, comenzando así la ignición del combustible si se encuentra a

una temperatura adecuada. El tiempo en el que ocurre la conflagración es muy

corto, si el tamaño del grano es pequeño. Por otro lado, la velocidad a la que se

consume el carbón fijo depende de la rapidez de su reacción con el oxígeno en la

superficie. Dicha velocidad está dada en función de la concentración del oxigeno,

la temperatura, del número de Reynolds y del tamaño de la partícula de carbón.

La reacción en la superficie genera, en primer lugar, monóxido de carbono, el cual,

al escapar, reacciona con el aire y parte de éste se transforma en dióxido de

carbono. Se debe tener en cuenta que el tamaño de la partícula se reduce a

medida que se va consumiendo el combustible, lo que hace que el tiempo en el

que se consume varíe. Así mismo, se considera que la temperatura de la

superficie de la partícula es mayor que la de la temperatura de los gases que

están a su alrededor. Finalmente, la formación de la ceniza se debe a la biomasa

que el carbón contiene; para altas temperaturas la ceniza forma esferas llamadas

cenósferas, mientras que a bajas temperaturas se mantiene suave. La capa de

ceniza tiene un efecto significativo sobre la transferencia de calor por radiación y

la combustión se ve afectada debido a que no permite el paso de oxígeno para

que ésta se complete satisfactoriamente.

1.2. Características del carbón mineral

El carbón mineral está compuesto por los diferentes tipos de elementos que hay

en los suelos de la mina de donde fue extraído, esto hace que cada uno tenga un

porcentaje diferente de humedad, cenizas, materia volátil y carbón fijo.

Para conocer la composición del carbón se lleva a cabo una prueba llamada

análisis próximo, que básicamente es exponer de manera controlada el

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combustible a diferentes temperaturas por periodos de tiempo determinados, con

el fin, de que se libere cada uno de los elementos que éste contiene. La cantidad

de cada elemento se cuantifica al conocer la diferencia de masa entre cada una de

las etapas de la prueba.

Según Culp (1979) una forma de realizar este análisis es pesar cuidadosamente

una muestra de carbón, a continuación se debe calentar a una temperatura de 110

ºC., durante 20 minutos, con el fin de eliminar la humedad que éste contenga. Al

finalizar este proceso se vuelve a pesar la muestra para conocer la pérdida de

masa que tubo, la cual se puede cuantificar en el porcentaje de humedad.

Después de ésto se vuelve a calentar, pero esta vez a una temperatura de 954

ºC., durante 7 minutos y se vuelve a pesar; esta diferencia de peso representa la

cantidad de materia volátil del carbón. Finalmente, lo que quede de la muestra se

lleva a una temperatura de 732ºC hasta que se queme completamente, el material

que queda es la cantidad de ceniza y dado que se conoce la masa inicial de la

muestra se puede calcular su porcentaje. El porcentaje de carbón fijo corresponde

a la diferencia de la masa total, menos cada una de las masas determinadas con

el proceso. Para realizar esta prueba se deben seguir las recomendaciones dadas

por las normas ASTM para cada una de las etapas.

Una vez se conoce el análisis próximo y el poder calorífico de una especie de

carbón es posible determinar el análisis último de éste. El procedimiento para

determinarlo está dado, según Culp, de la siguiente manera:

En primer lugar se estima el porcentaje de carbón seco y sin ceniza de la muestra:

Ecuación 1-1

)%%1(%

%humedadceniza

CC fijo

−−=

Una vez se conoce este porcentaje se determina el hidrógeno que éste contiene a

partir de la gráfica 1-1.

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Gráfica 1-1: Estimación del análisis último

Fuente: Principles of Energy Conversion,1979.

A partir del valor del hidrógeno encontrado es posible calcular el porcentaje de

cada uno de los demás elementos que se encuentran en la muestra, como se

indica en las siguientes relaciones:

Ecuación 1-2

4%%% SCC grafica −=

graficaHH 22 %% =

)(5,1% 2 siempreN =

oximoanalisisprSS %% =

)%%%(%100% 222 SNHCO +++−=

Fuente: Principles of Energy Conversion,1979.

Finalmente, para conocer los valores reales del análisis último se debe multiplicar

el valor de cada una de las concentraciones por la diferencia del porcentaje total,

menos el porcentaje de ceniza y humedad que indica el análisis próximo (100-

%Ceniza-%Humedad).

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Una vez se conoce el análisis último del carbón es posible conocer la relación aire-

combustible teórica, la cual permite determinar el punto en el cual debe operar la

cámara. Esta información también se puede utilizar con el propósito de determinar

cuál es el tipo adecuado de carbón para cada uno de los procesos de combustión.

Según Culp (1979) las propiedades del carbón son factores determinantes para la

selección del combustible apropiado. En primer lugar se debe considerar el

contenido de azufre, pues éste es un contaminante para el ambiente cuando está

presente en los productos de la combustión, por esta razón, su contenido debe ser

bajo. Por otro lado se deben tener en cuenta algunas variables, tales como, el

sistema de quema del carbón, así como su susceptibilidad a las condiciones

climáticas en las que está almacenado. También se deben considerar aspectos

como el punto de “ash-softening temperature”, el cual es el punto donde la ceniza

tiene un comportamiento plástico. Finalmente, el factor que más influye en la

selección es el contenido de energía.

1.3. Combustión en lecho fijo

La combustión en lecho fijo se presenta cuando el combustible a consumir está

aglomerado en una cama y el aire para que ocurra el proceso de ignición incide

sobre ésta. Para aprovechar este mecanismo de combustión y darle una buena

aplicación se deben implementar componentes para mejorar el proceso.

Dado que a medida que se incrementa la cantidad de combustible, es decir el

tamaño del lecho aumenta, se debe garantizar que el aire para que ocurra la

combustión esté en contacto con todo el carbón, es necesario incorporar un

sistema que le suministre aire continuamente. Por ésto se utilizan ventiladores,

con el fin de que el aire atraviese la cama de combustible y así se haga más

intensa la combustión. Debido a que estos dispositivos se pueden regular es

posible controlar la temperatura de la combustión y la concentración de las

emisiones en función del flujo de aire que se les proporciona.

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Por otro lado, la combustión del lecho debe ser alimentada por el combustible en

estado sólido y se deber proporcionar adecuadamente. Así mismo se debe tener

en cuenta que a medida que se consume el combustible sólido, éste genera

residuos (cenizas) que deben ser eliminados. Adicionalmente, a partir de la

necesidad de hacer limpias las operaciones se debe tener el control sobre las

emisiones, con el fin de minimizar la contaminación al ambiente. Por esta razón

existen diversos tipos de quemadores de lecho.

En este caso, el diseño desarrollado es el de un quemador de lecho fijo en el que

la combustión ocurre en el fondo de un cilindro sobre una parrilla a la que llega el

aire de dos fuentes diferentes. Como primera medida se tiene el ingreso del aire

primario por la parte inferior, el cual genera la combustión y adicionalmente llega el

aire secundario por un costado, con el fin de completar el proceso y poder

controlar la temperatura y las emisiones en función del caudal de aire que éste

suministra.

El esquema de este tipo de quemador según Borman (1998) corresponde al que

se muestra en la figura 1-1.

Figura 1-1: Esquema del quemador

Fuente: Combustion engineering, 1998.

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En este esquema se ilustran las diferentes etapas del proceso de combustión del

carbón, también se puede observar que el combustible ingresa por la parte

superior de la cámara y cae directamente en el lecho. En este recorrido el carbón

que cae a través del cilindro se calienta a medida que entra en contacto, lo que

hace que las partículas comiencen a secarse y a eliminar material volátil. Seguido

a esta etapa, ocurre el fenómeno de pilorisis, luego comienza el proceso de

reducción y oxidación donde el oxigeno que se induce a través del aire impulsado

por los ventiladores comienza a reaccionar y finalmente se encuentra la etapa

donde está la ceniza, producto de la masa no deseada que contiene el carbón.

Gracias a que se cuenta con diversos tipos de quemadores de lecho fijo, los

cuales brindan una confiabilidad alta, es posible aprovechar la energía generada

por éstos en procesos que requieran una fuente de calor para su funcionamiento;

desde un sistema de calefacción en un hogar, hasta la generación de energía

eléctrica con turbinas que funcionen con el vapor producido por una caldera.

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2. ANÁLISIS DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN DE CARBÓN MINERAL GRANULADO EXISTENTE

En el presente capítulo se pretende contextualizar el desarrollo de la cámara de

combustión realizada anteriormente en el proyecto de grado de Alejandro Chacón.

A partir de allí se pretende obtener conclusiones que permitan lineamientos hacia

su optimización.

2.1. Descripción de la cámara de combustión La cámara de combustión de carbón existente (ver imagen 2-1) es una cámara de

lecho fijo. Este tipo de cámara consta de una parrilla en la parte inferior del

cilindro, lugar donde se ubica el carbón que se va a quemar y donde ocurre la

combustión.

A esta parrilla se conecta el sistema de alimentación de aire, el cual, funciona de

forma ascendente, éste se distribuye en el aire primario que es aquel que entra

por la parte inferior de la cámara y en el aire secundario, el cual, entra por un

costado del cilindro donde ocurre la combustión. La fuente de alimentación del aire

primario y secundario es a partir de un juego de ventiladores radiales de baja

capacidad y la forma de controlar el caudal de salida no permite una cuantificación

adecuada del mismo.

Por otro lado, la cámara carece de un sistema de alimentación de combustible, lo

que impide que el funcionamiento del dispositivo sea continuo y a su vez, pone en

riesgo la integridad del operario. El diseño existente está elaborado con el fin de

que el combustible sólido (carbón mineral granulado) sea suministrado por la parte

superior del cilindro, de tal forma que éste caiga directamente sobre la parrilla.

Finalmente, a medida que se quema el carbón se va acumulando la ceniza que

éste genera, ya que la cámara no cuenta con un dispositivo que ayude a

eliminarla, ocasionando un mal funcionamiento debido a la obstrucción del flujo de

aire al interior del cilindro.

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Imagen 2-1: Cámara de combustión desarrollada en el proyecto de grado anterior

Fuente: Foto registrada por el autor

2.2. Procedimiento de operación de la cámara de combustión En primer lugar, de acuerdo con el procedimiento desarrollado por Chacón (2005),

para iniciar la operación de quemado, se debe encender un paño impregnado de

combustible (thinner, Diesel) para suministrarle al carbón una fuente de energía y

así eliminar todo el contenido de agua, alcanzando temperatura suficiente para

arder por sí mismo. Durante este proceso el sistema de alimentación de aire debe

operar a bajo caudal para que no apague la llama.

Así mismo, según las recomendaciones del autor, mientras inicia el proceso de

combustión del carbón el sistema de alimentación de aire debe operar

aproximadamente al 30% de su capacidad, lo que equivale a un caudal de 0.0059

m3/s en el aire primario y de 0.0054 m3/s en el aire secundario, aproximadamente.

Una vez se logra una buena llama el caudal de aire suministrado por el sistema de

aire primario debe estar cerca del 70% de su capacidad, es decir, un caudal de

0.011 m3/s y el sistema de aire secundario cerca del 60% de su capacidad, lo que

equivale a un caudal de 0.0098 m3/s, aproximadamente.

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2.3. Conclusiones del capítulo Al analizar la entrada del aire primario se observa que el área de salida (0.00182

m2) es pequeña en comparación con toda el área de la parrilla (0.0615 m2).

Adicionalmente, la salida del aire primario no se encuentra en el centro del

quemador, todo lo cual ocasiona que la quema del combustible no sea

homogénea en toda la superficie. Para dar solución a esta deficiencia debe

implementarse un ventilador para el aire primario de mayor capacidad con un área

de salida de un tamaño muy similar al de la parrilla donde se lleva a cabo la

combustión y así garantizar que el combustible se quema sobre toda la superficie.

De igual forma, si se instala un ventilador para el aire secundario de mayor

capacidad es posible consumir combustible a una mayor velocidad y a su vez

poder encontrar un punto en el que se reduzcan las emisiones.

Respecto a la forma de cuantificar y controlar el caudal de aire que sale de cada

ventilador se debe construir e implementar una válvula y un elemento que permita

medir el flujo que circula a través de una tubería.

Por otro lado, al evaluar el punto de operación al que hace referencia el autor en

su trabajo previo, éste tiene el inconveniente de no tener definida la cantidad de

carbón que está dispuesto en el interior de la cámara, ya que a medida que

aumenta el volumen de combustible al interior del cilindro, la mezcla se enriquece.

Como consecuencia, el caudal de aire que se le suministra tiene que variar para

poder satisfacer las condiciones del proceso de combustión.

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3. MODIFICACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE AIRE Debido a la importancia que tiene el aire en el proceso de combustión, en este

capítulo se va a analizar la implementación de un nuevo sistema de alimentación

de aire para la cámara, con el fin de que ésta aumente su capacidad y mejore

sustancialmente su funcionamiento.

3.1. Diseño del sistema de alimentación de aire primario y secundario Como primera medida se buscó en el mercado un nuevo juego de ventiladores

radiales, pues se decidió implementar un sistema de aire de mayor capacidad que

el existente, con el fin de mejorar la presión y el caudal del aire y así poder

introducir herramientas de medición y control sin afectar de manera significativa el

caudal necesario para una combustión completa. A partir de ésto se consiguieron

dos ventiladores radiales, instalándose el de mayor caudal de salida en el aire

primario, dado que éste es principal en el proceso de combustión (ver imagen 3-1).

Imagen 3-1: Ventiladores para sistema de alimentación de aire primario y secundario

Fuente: Fotografías registradas por el autor.

Gracias a la necesidad de regular y medir el caudal de aire que se le está

suministrando a la cámara de combustión es necesario construir un elemento de

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medición adecuado y una válvula, tanto para el aire primario como para el

secundario.

Dentro de los dispositivos más comunes para medir el caudal que pasa a través

de un conducto, en este caso de aire, están los que se muestran en la figura 3-1:

Figura 3-1: Tipos de medidor de caudal en conductos

Fuente: Imagen tomada de:

http://www.stanford.edu/class/me220/data/lectures/lect09/flow_meters.gif el 15 de octubre de 2006

Según Munson, Young y Okiishi (1999), todos estos dispositivos funcionan bajo el

mismo principio de restringir el paso del fluido en un punto, lo cual, a partir de la

ley de conservación de Bernoulli, se tiene que en la sección anterior a la

restricción, el fluido tiene baja velocidad y alta presión y una vez cruza la

restricción, éste adquiere una mayor velocidad pero baja su presión. Esta

diferencia de presión es la que permite determinar el caudal del fluido que está

atravesando el conducto. Todo ésto se analiza suponiendo que la operación es

ideal (se desprecian efectos viscosos y de compresibilidad) y que la diferencia de

altura entre cada sección es cero.

Para facilitar la construcción del dispositivo de medición del caudal de aire, se

decidió que la solución más apropiada es implementar un sistema de medición de

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tubo Venturi y para controlar el flujo de aire del ventilador se decidió montar una

válvula a la salida de éste.

El diseño de los tubos Venturi se llevó a cabo en función del área de salida de la

sección transversal rectangular de los nuevos ventiladores y como se mencionó

anteriormente, se decidió que el que genera un caudal de salida mayor debe

alimentar al aire primario. Estos ventiladores tienen las dimensiones que se

muestran en la tabla 3-1:

Tabla 3-1: Dimensiones de salida de los ventiladores Área de salida ventiladores

Ancho (m) Alto (m) Área (m2) Aire primario 0,1 0,08 0,008 Aire secundario 0,057 0,053 0,003021

Fuente: Elaboración del autor

Así mismo, se diseñó de tal forma que el área de entrada del tubo Venturi fuera

igual a su área de salida, lo que garantiza que el área de entrada del aire a la

cámara sea del mismo tamaño que el área de salida del ventilador.

A partir de estas condiciones se decidió elaborar un tubo cuya garganta se

produzca por reducción sólo en una de sus dimensiones, con el fin lograr una fácil

manufactura del mismo.

Dado que el principio de funcionamiento del tubo Venturi es el de medir mediante

una diferencia de presión en dos áreas diferentes, a lo largo de éste, el caudal del

fluido que lo está atravesando, se puede instalar un tubo en “U” lleno de un fluido

adecuado (la densidad del fluido es el factor determinante) entre la región de

entrada al Venturi y la región de la garganta (el área de la sección transversal de

la garganta es menor que la de la entrada) y relacionar esta diferencia de presión

con una diferencia de altura (es posible medir la diferencia de altura en el fluido

que está dentro del tubo en “U”) por medio de la siguiente ecuación.

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17

Ecuación 3-1 hgp fluido ∆=∆ ** ρ

Fuente: Fundamentos de mecánica de fluidos, 1999.

Esta diferencia de presión permite determinar el caudal, dado que se conocen las

áreas del tubo Venturi (ver figura 3-2) mediante la siguiente relación:

Ecuación 3-2

22

2

1

22

21 *2

1**

A

AA

Q

pp⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

=−

ρ

Fuente: Fundamentos de mecánica de fluidos, 1999.

Una vez se conoce las áreas, el caudal y la diferencia de presión se pueden

diseñar cada uno de los tubos.

Figura 3-2: Esquema de tubo Venturi


Como se busca obtener una lectura del nivel del fluido dentro del tubo en “U” fácil

de comprender, el tamaño del área de la garganta se calcula en función de ésta

para el rango de caudales de operación. Este cálculo se realiza a partir de un

proceso iterativo para encontrar el punto en el cual se obtenga la mejor lectura,

teniendo en cuenta que a medida que se reduce el área de la garganta las

pérdidas de presión dentro del tubo crecen.

IM-2006-II-10

18

Según Chacón (2005), el caudal mínimo requerido para encender la cámara debe

ser 0.0059 m3/s en el aire primario y 0.0054 m3/s en el aire secundario,

aproximadamente. En función de dichas magnitudes se realiza el cálculo de la

geometría.

• Cálculo de la geometría del tubo Venturi para el aire primario

En primer lugar se establecen todas las variables conocidas como lo muestra la

tabla 3-2.

Tabla 3-2: Condiciones de operación para diseño de Venturi aire primario Condiciones de operación

Área de salida 0,008 m2 Velocidad de salida de aire 0,75 m/s Caudal de operación 0,006 m3/s Densidad del aire (Bogotá) 0,80 kg/m3 Gravedad 9,81 m/s2 Densidad de agua 1000 kg/m3

Fuente: Elaboración del autor En este caso se utiliza agua como fluido en el tubo en “U”, por su facilidad de

reemplazo y porque no se evapora ni contamina.

A partir de estos parámetros se puede determinar el área de la garganta, la cual

es la única variable que resta por determinar (ver tabla 3-3).

Tabla 3-3: Valores de altura del tubo en "U"

Cálculo de diferencia de presión y altura en función de la reducción de área

Altura garganta (m)

Área de la garganta (m2)

Diferencia de presión (Pa) Diferencia de altura (m)

1 0,008 0,0008 2,23E+01 0,0023 2 0,012 0,0012 9,78E+00 0,0010 3 0,0140 0,0014 7,12E+00 0,0007


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A partir de este cálculo se puede observar que con un área en la garganta de

0,0012 m2 se logra medir una diferencia de altura de aproximadamente 1 mm,

valor posible de leer sin dificultad.

• Cálculo geometría del tubo Venturi para aire secundario

Para determinar esta geometría se sigue el mismo procedimiento que para el

diseño del tubo Venturi del aire primario (ver tabla 3-4).

Tabla 3-4: Condiciones de operación para diseño de Venturi aire secundario Condiciones de operación

Área de salida 0,00302 m2 Velocidad de operación 1,80 m/s Caudal de operación 0,0054 m3/s Densidad del aire (Bogotá) 0,9 Kg./m3 Gravedad 9,81 m/s2 Densidad de agua 1000,00 Kg./m3


Una vez más, al conocer estos valores es posible determinar la altura de la

garganta del tubo Venturi (ver tabla 3-5).

Tabla 3-5: Valores de altura del tubo en "U"

Cálculo de diferencia de presión y altura en función de la reducción de área

Altura garganta (m)

Área de la garganta (m2)

Diferencia de presión (Pa)

Diferencia de altura en tubo en "U" (m)

1 0,0133 0,00076 2,19E+01 0,0022 2 0,0140 0,00080 1,94E+01 0,0020 3 0,0172 0,00098 1,23E+01 0,0013


Al realizar este cálculo se puede observar que con un área en la garganta de

0,0008 m2 se logra medir una diferencia de altura de aproximadamente 2 mm,

valor posible de leer fácilmente.

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20

Por otro lado, para garantizar que el aire que se encuentra dentro de la garganta

es estable en el punto donde se ubica el tubo en “U” se decidió que ésta debe

tener una longitud de 2.5 veces el alto de la misma, como se muestra en la tabla

3-6.

Tabla 3-6: Largo de la garganta del tubo Venturi Largo de garganta de tubo Venturi

Alto de garganta (m) Largo de garganta (m) Aire primario 0,012 0,030 Aire secundario 0,014 0,035


Una vez se determina este tamaño se busca reducir la cantidad de pérdidas de

presión dentro del tubo para sacar un mejor provecho de los ventiladores, para

ésto se busca un ángulo de salida que mejore dicha condición. El ángulo ideal

debe estar entre 8º y 12º, pero por limitaciones de espacio, para este caso, debe

ser 20º, aproximadamente.

Al tener definidas todas las dimensiones de cada uno de los tubos Venturi es

posible realizar los planos de construcción (ver anexo 1). Se debe tener en cuenta

que al momento de manufacturar el tubo es muy complicado lograr la geometría

perfecta, por esta razón, ésta es una buena aproximación.

3.2. Construcción del sistema de alimentación de aire primario y secundario

Una vez se definen las condiciones para que el sistema de alimentación de aire

funcione de acuerdo con las necesidades de la cámara, es posible construir cada

uno de los elementos.

En primer lugar, se decide que un material adecuado para realizar la tubería de

conducción del aire es una lámina de acero galvanizado debido a que éste es

económico y fácil de manipular. Por esta razón se buscó en el mercado la que

mejor se ajustara, finalmente se adquirió una lámina de calibre 22 (0.7mm), la cual

IM-2006-II-10

21

es cómoda para doblar y a su vez proporciona estructura en la tubería. Por otro

lado es posible soldarla con soldaduras especiales al momento de ensamblar las

piezas que con está se construyan.

Dado que el sistema de alimentación de aire está dado desde los ventiladores

radiales hasta la entrada al cilindro donde ocurre la combustión, es necesario

construir diferentes tramos y acoples para lograr una correcta conducción.

En primer lugar se fabricaron los tubos Venturi según los planos definidos a partir

de las dimensiones obtenidas en los cálculos y para lograr su geometría se

construyeron unas plantillas en cartón para luego pasarlas a la lámina y doblarla

como se muestra en la imagen 3-2.

Imagen 3-2: Plantillas del perfil del tubo Venturi para el aire primario y secundario

Fuente: Fotografía registrada por el autor.

Una vez se tiene la lámina cortada es posible doblarla sobre las marcas, con el fin

de obtener el perfil del tubo Venturi que se diseñó. Para completar el tubo es

necesario cortar otro segmento de la lámina, el cual se ubica en la parte superior e

inferior de cada uno de los perfiles, como se muestra en la imagen 3-3.

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22

Imagen 3-3: Lámina cortada y doblada al perfil preestablecido


Una vez se tienen todas las partes cortadas y dobladas se procede a unirlas por

medio de soldadura de cobre (ver imagen 3-4).

Imagen 3-4: Venturi soldado para sistema de alimentación de aire secundario


Por otro lado, la constricción del mecanismo que regula el flujo de aire se hace con

el mismo tipo de lámina doblada y remachada en uno de sus bordes para generar

la parte exterior y en su interior se encuentra una lámina que atraviesa un tubo, él

cual regula la posición angular de la lámina, con el fin de obstruir el aire a través

de la conducción (ver imagen 3-5).

Finalmente se construye un codo para el sistema de alimentación de aire primario,

con el propósito de direccionar el flujo de aire directamente a la cámara. Este se

fabrica siguiendo el mismo procedimiento con el que se elaboraron los tubos

Venturi.

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23

Imagen 3-5: Válvula para regular caudal aire primario


Por otro lado, el tubo en “U” sobre el que se realiza la medición de la diferencia de

altura de agua se elabora a partir de una manguera transparente con un diámetro

nominal de 5/16” dentro de un tubo de 1/2”, el cual lleva un corte a lo largo, que

permite observar el nivel del agua respecto al cero y éste, a su vez se conecta en

la tubería de conducción por medio de dos terminales con rosca interior (hembra),

con el fin de aumentar el área de contacto, ya que el tipo de adhesivo que se

emplea es masilla epoxica (ver figura 5).

Imagen 3-6: Tubo en “U”


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24

Todos estos procesos de manufactura, exceptuando la soldadura de cobre que se

aplicó sobre las láminas, se realizaron utilizando las herramientas del laboratorio

de Ingeniería Mecánica.

3.3. Conclusiones del capítulo. Con la implementación de estos dispositivos se logró aumentar sustancialmente el

caudal de aire que se le puede suministrar a la cámara de combustión, lo cual

aumenta la capacidad de carbón que ésta puede quemar en un periodo

determinado de tiempo.

Así mismo se logró regular el flujo por medio de las válvulas instaladas en la salida

de los ventiladores. Para un futuro trabajo, una posible mejora que se puede

realizar es desarrollar mejores válvulas, con el fin de obtener mejor control sobre

el caudal de cada ventilador.

Finalmente, a partir de las pruebas se observó que las pérdidas de presión en la

tubería reducen el caudal de aire que pueden suministrar los ventiladores, a pesar

de ésto el flujo de aire es suficiente para el proceso de combustión.

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25

4. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE ALIMENTACIÓN DE CARBÓN Dada la necesidad y el interés de hacer continuo el funcionamiento de la cámara

de combustión se decidió implementar un sistema de alimentación del carbón, de

tal forma que éste siempre esté disponible para ser consumido y no tener que

interrumpir el proceso de quema.

Gracias a la configuración de la cámara, ésta requiere que la alimentación del

combustible se realice por la parte superior de la misma, de esta forma, el

combustible cae directamente al lecho, en el cual se está realizando la quema y es

el lugar al que llega el aire primario y secundario.

4.1. Diseño del sistema de alimentación de carbón Para comenzar a diseñar el mecanismo adecuado para llevar el combustible a la

cámara es necesario conocer la morfología de éste. Inicialmente se presentaron

diferentes tamaños de grano de carbón con el fin de encontrar el que mejor se

ajustara al proceso de combustión deseado, teniendo en cuenta que el tamaño

que se busca debe ser fácil de conseguir y a un bajo precio. El tamaño de grano

que se escogió es de 5 mm en promedio, tamaño que se logra después de un

proceso de molienda (no es un grano totalmente pulverizado) pues de la mina se

extrae en tamaños mayores (ver imagen 4-1). Este carbón, una vez molido, tiene

una densidad aparente de 800kg/m3, aproximadamente (Baumeister, T., Avallone,

E. A., Baumeister III, T, Octava edición).

Por otro lado se asume que en una hora se tiene que suministrar un kilogramo de

carbón a la cámara (ésta cantidad varía en función del caudal de aire que le

suministran los ventiladores), por esta razón se decide diseñar el alimentador de

carbón, de tal forma que sea capaz de suministrarle este flujo de combustible.

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26

Imagen 4-1: Tamaño de carbón seleccionado para la alimentación de la cámara


Bajo estos parámetros de diseño es posible calcular cuál debe ser el flujo de

combustible para alimentar la cámara correctamente:

Ecuación 4-1

min5083.200125.0

800

1 33

3

. mh

m

mkg

hkg

Qm −Ε====ρ

Una vez se conoce el material a transportar se busca cuál es el mecanismo que

mejor se acomoda a las necesidades. A partir de estas condiciones y de acuerdo a

la bibliografía consultada, el mejor dispositivo para transportar este material es un

tornillo sinfín, cuyo principio es el desplazamiento de paquetes, equivalente al

volumen de un cilindro hueco. El diseño del volumen requerido se hace a partir de

un proceso iterativo entre la velocidad de giro del tornillo y el volumen desplazado

por vuelta. Como primera medida se selecciona una velocidad de giro para

conocer el volumen que se necesita desplazar por cada revolución del tornillo

sinfín (ver tabla 4-1).

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27

Tabla 4-1: Estimación del volumen desplazado por vuelta del sinfín Flujo másico de carbón 2,083E-05 m3/min. Velocidad de operación 2 rpm.

Volumen necesario por v uelta 1,042E-05 m3 Fuente: Elaboración del autor

Una vez se conoce el volumen que se va a desplazar por cada vuelta, la

geometría del tornillo se obtiene al asumir que dicho volumen es igual al de un

cilindro con el mismo diámetro que el del exterior del sinfín, menos un cilindro

interior de diámetro igual al del alma del tornillo, con una altura igual al paso del

mismo, que en este caso es igual a la tercera parte del diámetro exterior.

Los cálculos de este volumen se realizaron de tal forma que los materiales para su

fabricación se aproximaran a medidas estándar, logrando así reducción de costos

y fácil consecución de los mismos (ver tabla 4-2).

Tabla 4-2: Estimación de volumen a partir de geometrías estándares en el mercado

Diámetro exterior 5,000E-02 m Diámetro interior 1,905E-02 m

Paso 1,667E-02 m Volumen interior 4,750E-06 m3

Volumen exterior 3,272E-05 m3

Volumen desplazado por v uelta 2,797E-05 m3 Fuente: Elaboración del autor

Finalmente, el volumen que realmente ocupa este material, al ser desplazado

dentro del tornillo, es aproximadamente el 40% del volumen total de la sección

transversal para velocidades bajas (Baumeister, T., Avallone, E. A., Baumeister III,

T, 1978). El volumen desplazado por vuelta se corrige al multiplicarlo por este

valor (ver tabla 4-3).

Tabla 4-3: Corrección del volumen real desplazado por vuelta

Volumen desplazado por vuelta 2,797E-05 m3 Porcentaje ocupado por el material 40 %

Volumen real por v uelta 1,119E-05 m3 Fuente: Elaboración del autor

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28

Al comparar el volumen real por vuelta, con el volumen necesario por vuelta para

suministrar 1 kg. de carbón a una velocidad de 2 rpm, se obtiene una diferencia

entre dichos valores muy pequeña, lo que permite obtener una buena taza de

alimentación de combustible, acorde a lo supuesto.

Tabla 4-4: Diferencia entre volumen y masa (real vs. necesario) Volumen necesario por vuelta 1,042E-05 m3

Volumen real por vuelta 1,119E-05 m3 Diferencia volumen 7,748E-07 m3 Diferencia de masa 6,199E-04 Kg.

Fuente: Elaboración del autor Una vez definido el diámetro exterior y el paso se puede calcular la longitud del

tornillo. Debido a que éste debe realizar la descarga en la mitad de la cámara y en

el otro extremo debe recoger el carbón, la longitud mínima debe ser 40 cm.,

aproximadamente. Dado que ya se conoce el paso del tornillo extrusor se puede

determinar la cantidad de roscas a construir para trasladar el material a lo largo del

sinfín.

Tabla 4-5: Número de roscas del tornillo sinfín Longitud del tornillo 0,4 m

Paso del tornil lo 1,667E-02 m Espesor de la rosca 5,000E-03 m Número de roscas 1,846E+01 -

Fuente: Elaboración del autor Al conocer la geometría del tornillo se tiene que decidir sobre el canal fijo de

referencia en el cual va a girar. Para esto, la mejor solución es acomodar el

tornillo dentro de un tubo de acero, el cual, debe tener un diámetro interno cercano

al diámetro externo del sinfín.

Ya que la velocidad de operación es baja la forma de operar el dispositivo es por

medio de una manivela accionada manualmente por el operario, con el fin de

reducir costos y hacer más sencilla la operación.

IM-2006-II-10

29

Finalmente, el tornillo toma el carbón desde una tolva ubicada en uno de sus

extremos. Allí se deposita el carbón granular del tamaño preestablecido (diámetro

de 5 mm, aproximadamente.) y desciende dentro de ésta por acción de la

aceleración de la gravedad, por esta razón, se debe diseñar la tolva de tal forma

que el carbón deslice y no se acumule en ningún lugar.

Para controlar ésto, todos los ángulos de la geometría de la tolva respecto a la

horizontal deben ser mayores que el ángulo de deslizamiento del material (ángulo

de Talud), en este caso, debe ser superior a 45 grados (Perry, R. H., Green, D.

W., Maloney, J. O., 2001). Dado que el volumen del combustible a consumir es

pequeño, se diseñó la tolva con una capacidad aproximada de 1,5 kg.

Los planos para la construcción de estos elementos se presentan en el anexo 2.

4.2. Construcción del sistema de alimentación de carbón La alternativa más sencilla para construir el tornillo del tamaño establecido

anteriormente, es soldar láminas con la geometría aproximada de una hélice

alrededor de un alma. Para ésto se utilizó una varilla de acero de 3/4 de pulgada,

la cual, es el alma del sinfín y para fabricar las hélices se utilizaron arandelas con

diámetro exterior de 5 cm., las cuales, se doblaron a mano (prensa y martillo), de

tal forma que cumplieran las condiciones geométricas predefinidas, tales como el

paso de 1,65 cm. Una vez se tienen listos estos elementos, se ubican sobre la

varilla las arandelas y se soldan con soldadura de arco.

Para sostener el sinfín dentro del canal se construyó una tapa de acero estructural

para cada uno de sus extremos y para garantizar que éste sea concéntrico al

momento de ensamblarlo por medio de soldadura fue necesario refrentar y

cilindrar algunas de las piezas con la ayuda del torno.

Así mismo, los canales de entrada y salida del carbón se realizaron sobre el tubo

de acero, por medio de un procedimiento de fresado para garantizar la correcta

IM-2006-II-10

30

geometría de entrada y salida del material al sistema de transporte, tal y como lo

recomiendan Perry, R. H., Green, D. W., Maloney, J. O. (2001).

En la imagen 4-2 se observan los elementos correspondientes al tornillo sinfín

antes de ser ensamblados.

Finalmente, la tolva se construyó a partir de láminas de acero estructural de bajo

carbono, de 3/8 de pulgada, las cuales, se soldaron de tal forma que cumplieran

con los ángulos adecuados para el correcto deslizamiento del material. La

conexión entre la tolva y el canal del tornillo se realizó por medio de una caja de

acero soldada al tubo en la parte superior, rectificada con la fresadora para

garantizar que ésta sea completamente horizontal.

Imagen 4-2: Elementos del sistema de alimentación de carbón


Una vez ensamblado el sistema, se llegó a la configuración que se muestra en la

imagen 4-3.

De igual forma, fue necesario construir una estructura para que todo el conjunto de

alimentación esté soportado a la misma altura de la parte superior del cilindro

donde ocurre la combustión.

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31

Imagen 4-3: Sistema de alimentación de carbón


Todos estos procedimientos de construcción se llevaron a cabo en las

instalaciones y con los recursos y herramientas que se encuentran en el

laboratorio del departamento de ingeniería mecánica.

4.3. Conclusiones del capítulo A partir de la implementación de este dispositivo se logró cuantificar la cantidad de

carbón que se le suministra a la cámara, con el fin de satisfacer el flujo de carbón

requerido para que ocurra una combustión óptima.

Para lograr un correcto suministro de carbón, este dispositivo debe operar de

manera controlada y constante, con el fin de que la cantidad desplazada siempre

sea igual, por esta razón, se recomienda, en un futuro, implementar un moto-

reductor eléctrico con el fin de que este le brinde una velocidad de giro constante

al dispositivo.

IM-2006-II-10

32

5. IMPLEMENTACION DEL DISPOSITIVO PARA LA ELIMINACION DE LA CENIZA

Con la realización de este capítulo se pretende implementar un sistema que

permita eliminar la ceniza que se acumula a medida que ocurre el proceso de

combustión. Es necesario eliminarla porque ésta interfiere en el funcionamiento de

la cámara en procesos como la obstrucción del aire al combustible y reduce la

capacidad de la llama de transferir calor al sistema, por medio de la radiación.

5.1. Consideraciones de diseño Para concebir este diseño es necesario tener en cuenta todas las variables que

afectan el proceso.

En primer lugar, el dispositivo va a estar sometido a un ambiente agresivo, a una

temperatura de operación que supera los 800ºC, ya que es donde está ubicado el

lecho de combustión.

Así mismo, por el tamaño de la cámara se tienen restricciones de espacio, pues la

entrada del aire primario está muy cerca de donde se debe disponer la parrilla y a

su vez, el dispositivo no debe interrumpir el flujo del aire primario debido a que

éste es el encargado de la combustión.

Por otro lado es fundamental conocer el material a remover, en este caso, los

residuos generados por el carbón que se está consumiendo, los cuales se

aglomeran formado partículas de un mayor tamaño que el del grano de carbón

que se suministra. Estos residuos tienen una densidad aparente menor que la del

combustible original y su capacidad de soportar esfuerzos es muy baja, dado que

no hay una cohesión muy alta y se desmorona fácilmente (ver imagen 5-1).

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33

Imagen 5-1: Residuos de la combustión


5.2. Implementación del dispositivo A partir de estas condiciones se plantea un método de eliminación por medio de

vibración dada la facilidad de desprender pequeños granos de la superficie.

En primer lugar se desarrolló un dispositivo que funciona como un tamiz, por esta

razón se apilaron 3 mayas de acero con huecos de diferentes tamaños, las cuales

se organizaron, de tal forma que la de mayor tamaño se ubicara en la parte

superior, es decir, la que soporta directamente el combustible y se juntaron por

medio de un marco que garantizara que no se separarían. Estas mayas se

juntaron de manera que se puedan desplazar libremente de arriba abajo dentro del

cilindro y para garantizar que ésta no se mueva en otras direcciones e interfiera

con las paredes cerámicas del cilindro fue necesario implementar 2 guías de acero

(ver imagen 5-2).

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34

Imagen 5-2: Parrilla


Una vez se tiene la parrilla donde cae el combustible se implementó el dispositivo

que genera la vibración. En este caso se optó por un mecanismo que no

interfiriera el flujo de aire proveniente del ventilador primario, por esta razón, la

mejor solución es un juego de levas que al girar desplacen la parrilla y al hacer

repetitiva esta operación se genere vibración en la partículas. En este caso se

seleccionó una barra de acero a la que se le soldaron 4 perfiles de leva para

reducir esfuerzos sobre la superficie de la parrilla, dado que al estar a altas

temperaturas el material cambia sus propiedades y se puede romper (ver imagen

5-3).

Imagen 5-3: Eje con levas


IM-2006-II-10

35

Por otro lado, para garantizar que la parrilla estuviera en contacto con el eje

durante todo el giro se ubicaron dos resortes dentro de las guías. Finalmente, para

apoyar la barra en la estructura de la cámara se soldó una platina con un agujero

al soporte del cilindro, para sostener uno de sus extremos y el otro extremo se

soporta con el cilindro.

Dada la configuración de la cámara este mecanismo se opera manualmente.

Finalmente se llega a una configuración como se muestra en la imagen 5-4, la cual

es una vista desde la parte superior del cilindro y carece de la parrilla que se debe

ubicar dentro de las guías.

Imagen 5-4: Sistema de eliminación de cenizas


5.3. Conclusiones del capítulo A partir de la implementación de este dispositivo fue posible eliminar los residuos,

producto de la quema del carbón.

Una de los requerimientos que tiene este diseño es la selección del material

adecuado debido a las altas temperaturas que existen en este punto. En este caso

IM-2006-II-10

36

se seleccionó acero al carbón, pero para garantizar una mayor vida al dispositivo

se puede rediseñar con mejores materiales, con el fin de que soporte un ambiente

tan agresivo.

Una de las mayores complicaciones que se tiene es la de la operación manual del

dispositivo a medida que se quema el carbón, debido a que la velocidad de giro

que el operario le puede suministrar no es suficiente para remover todo el material

que se acumula, así como el hecho de que el funcionamiento no es constante.

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37

6. CALIBRACIÓN DE LOS SISTEMAS DE ALIMENTACION DE AIRE Y DE CARBÓN

El presente capítulo tiene como propósito conocer el verdadero punto de

operación de los sistemas de alimentaron de aire, así como el del carbón. Para

ésto, se aplicaron varios métodos que permitieran confrontar la confiabilidad de las

mediciones de los dispositivos y así conocer el valor real. El método utilizado para

el sistema de medición del caudal de aire, fue un patrón de referencia para

conocer, por medio de una comparación, qué también se aproxima el instrumento

elaborado a la realidad y en el caso del alimentador de carbón, se planteó un

método a partir de mediciones experimentales para deducir su comportamiento.

6.1. Calibración del sistema de alimentación de aire primario y secundario Para conocer el comportamiento de la medición del caudal que se obtiene

mediante el tubo Venturi respecto al caudal real, se debe realizar un procedimiento

de calibración para el aire primario y secundario.

En este caso, dado que se trata del caudal del aire que está pasando a través de

un conducto de dimensiones conocidas, se utiliza como patrón de calibración el

tubo Pitot, el cual, nos permite medir la velocidad del fluido al que esté expuesto y

ya que la geometría por la cual el fluido viaja es conocida, es posible determinar el

caudal∗.

El principio de funcionamiento del “Pitot” muestra que se puede determinar la

velocidad del fluido al conocer las presiones estáticas y de estancamiento de éste,

por medio de la ecuación de conservación de Bernoulli, que en este caso

corresponde a una ecuación de conservación de presión (Munson, Young, Okiishi,

1999).

∗ En el laboratorio de ingeniería mecánica se cuenta con un tubo “Pitot” marca Dwyer.

IM-2006-II-10

38

Ecuación 6-1

zVpP γρ ++= 2

21

Fuente: Fundamentos de mecánica de fluidos, 1999

Si se asume que la presión por la diferencia de altura es despreciable, se llega a

una relación en donde se tiene la velocidad del fluido en función de la diferencia

entre las presiones estáticas y de estancamiento, que es la medición que

proporciona la escala del tubo Pitot (ver ecuación 6-2).

Ecuación 6-2

ρPV ∆= *2

Fuente: Fundamentos de mecánica de fluidos, 1999

Una vez se conoce la velocidad real del aire es posible obtener el caudal de

referencia para calibrar cada uno de los tubos, para lo cual, se debe calcular el

caudal que en teoría está pasando por el Venturi. Este se obtiene al medir en el

tubo en “U” la diferencia de altura que existe en el fluido y a partir de la ecuación

3-2 se obtiene el resultado.

Una vez se tiene una colección de puntos es posible construir una curva que

relacione el caudal de salida en función de la diferencia de altura en el tubo en “U”.

Por otro lado, para cada uno de los puntos se mide el caudal con el tubo Pitot a la

salida del tubo Venturi. Dado que la salida es una sección cuadrada se tiene que

construir un perfil de velocidad, con el fin de lograr una buena medición, pues ésta

no es constante en toda el área. Para realizar este perfil de velocidades es

necesario realizar mediciones en varios puntos sobre el área de salida, con el fin

de poder calcular un promedio aritmético y a partir de este valor estimar el caudal

real que está fluyendo por el tubo Venturi.

IM-2006-II-10

39

Finalmente, al conocer el valor del caudal teórico (caudal medido por el tubo

Venturi) y el valor real (caudal medido por el tubo Pitot) en los mismos puntos, es

posible construir una curva de corrección y así conocer el valor real del caudal que

está entrando a la cámara de combustión.

• Calibración del tubo Venturi del aire primario

Para esta calibración, en primer lugar se establece la cantidad de puntos que se

quieren conocer. En este caso, el rango de diferencia de alturas del tubo en “U”

para agua como fluido es de 0 cm. a 3 cm. Dado que el tubo Pitot requiere una

velocidad del aire mínima para que funcione, el rango se reduce a valores entre

1,5 cm. y 3 cm., aproximadamente. A partir de este rango es posible conocer el

número de puntos que se deben leer para construir una buena aproximación del

caudal de salida. Para este caso se tomaron 4 mediciones en los valores de 1,5

cm., 2 cm., 2,5 cm. y 3 cm. aproximadamente.

Dado que se tiene un área de salida de 0.008 m2 y el tubo Pitot cubre un área de

0.00005 m2 se decide tomar mediciones en 16 puntos equidistantes, con el fin de

encontrar un buen perfil de velocidades a la salida del tubo (ver figura 6-1).


aire primario (unidades en mm). 102

80

O 8

1 2 3 4

5 6 7 8

10 11 12

13 14 15 16


IM-2006-II-10

40

En cada uno de los puntos se realizaron 5 mediciones, con el fin de tener una

mejor medición, producto de un promedio aritmético de los datos.

Con los datos obtenidos se construye la curva que permite determinar el caudal de

aire que está suministrando el ventilador, realizando la lectura de la diferencia de

altura de agua dentro del tubo en “U” (ver gráfica 6-1).

Gráfica 6-1: Curva característica del tubo Venturi, aire primario

Curva de calibración R2 = 0,974

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030

Diferencia de altura Tubo "U" (m H2O)

Cau

dal a

ire (m

3/s

)


En este gráfico se observa que la curva se aproxima a los datos, pues el

coeficiente de correlación es 0,974, valor cercano a 1.

Así mismo se construyó la gráfica de corrección de caudal que se obtiene al

conocer el valor del caudal medido con el tubo Pitot, en comparación con el caudal

obtenido con el tubo Venturi (ver gráfica 6-2).

IM-2006-II-10

41

Gráfica 6-2: Curva de corrección de caudal para tubo Venturi, aire primario

Curva de correcciónR2 = 0,7487

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030Caudal Venturi (m3/s)

Cau

dal P

itot

(m3

/s)


Al igual que en la curva de calibración se tiene un coeficiente de correlación, en

este caso, la curva no tiene una aproximación satisfactoria al valor de los puntos

tomados, sin embargo, si se pudiera medir una mayor cantidad de datos se

lograría una mejor tendencia al factor de corrección.

• Calibración del tubo Venturi del aire secundario

Al igual que en la calibración del Venturi del aire primario se establece la cantidad

de puntos que se deben medir. En este caso, el rango de diferencia de alturas del

tubo en “U” para agua como fluido es de 0 cm. a 7 cm. Gracias a que la velocidad

de salida del aire es mayor, es más fácil realizar la medición con el tubo Pitot. De

esta forma se tomaron 6 mediciones en los valores 2 cm., 3 cm. 4 cm., 5 cm., 6cm.

y 7 cm., lo que proporciona una mejor curva de caudal en función de la diferencia

de altura.

En este caso, el área del tubo Pitot, en comparación con el área de salida del tubo

Venturi es mayor que en el caso del aire primario, por esta razón se tomaron sólo

9 mediciones en puntos equidistantes, con el fin de encontrar un buen perfil de

velocidades a la salida del tubo (ver figura 6-2).

IM-2006-II-10

42

Figura 6-2: Distribución de puntos de medición del caudal para tubo Venturi del aire secundario (unidades en mm).

53

57

O8

1 2 3

5 6

7 8 9


Una vez más, se realizaron 5 mediciones en cada uno de los puntos para obtener

a partir de un promedio de datos leídos un mejor valor de la velocidad de salida.

Así, al realizar los cálculos correspondientes a partir de la velocidad de salida

promedio, se obtiene una gráfica que permite conocer el caudal de salida en

función de la diferencia de altura de agua (ver gráfica 6-3).

Gráfica 6-3: Curva característica del tubo Venturi, aire secundario

Curva de calibracion R2 = 0,9478

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07Diferencia altura (m H2O)

Cau

dal (

m3/

s)


IM-2006-II-10

43

En este caso se puede observar que la curva se aproxima a los puntos obtenidos

en la medición, dado que el coeficiente de correlación es un valor cercano a 1.

Igualmente se construyó una curva de corrección asumiendo que el valor real es el

valor del caudal obtenido con la medición del tubo Pitot (ver gráfica 6-4). Se logró

como resultado un coeficiente de correlación aceptable.

Gráfica 6-4: Curva de corrección de caudal para Venturi, aire secundario Corrección de caudal R2 = 0,9502

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035

Caudal Ventur i (m3/s)

Cau

dal P

itot

(m3/

s)


6.2. Calibración del dispositivo de alimentación de carbón Para la calibración del sistema de alimentación de carbón se llevaron a cabo

varias mediciones que permitieran establecer correctamente el promedio del flujo

de carbón que se transporta.

Dado que no se conoce el comportamiento del sistema de alimentación de carbón

es necesario realizar varias pruebas para poderlo caracterizar. Una de las

consideraciones a tener en cuenta es la necesidad de encontrar la variación del

flujo de carbón en función de de la velocidad de giro, por esta razón se realizaron

mediciones que dieran a conocer el volumen de combustible que se logra

transportar a diferentes velocidades.

IM-2006-II-10

44

Los datos obtenidos en esta prueba se ilustran en la gráfica 6-5. En dicha gráfica

se puede observar que el volumen desplazado de combustible a diferentes

velocidades se comporta como una función lineal con una pendiente baja (casi

constante), lo que nos permite regular, por medio de la velocidad de giro, la

cantidad de combustible que se le suministra a la cámara. Se debe tener en

cuenta que la densidad no es constante en todo el volumen del combustible, pues

éste es granulado, por esta razón, puede haber errores en el estimado de la

cantidad de masa desplazada.

Gráfica 6-5: Volumen desplazado por vuelta, en función de la velocidad de giro del sinfín.

0

2

4

6

8

10

12

14

0,000 0,500 1,000 1,500

Velocidad angular (rps)

cm3 /vu

elta


Dado que el volumen suministrado por cada vuelta es en promedio 11,46 cm3

(valor obtenido de las mediciones) y que éste es independiente de la velocidad de

giro del tornillo, es posible concluir que la cantidad de combustible que se necesite

suministrar a la cámara de combustión va a estar relacionado directamente con el

número de vueltas que debe dar el sinfín y la densidad aparente del carbón

granular por medio de la siguiente relación:

IM-2006-II-10

45

Ecuación 6-3

NmNVm VueltaTotal **10*146,11000000

1*** 53

ρρ −==


Lo anterior permite inferir que si el sistema necesita más o menos combustible es

posible suministrárselo al variar la velocidad de giro del sinfín, dado que el flujo

másico de combustible se obtiene al multiplicar la masa suministrada por la

velocidad del tornillo alimentador. El comportamiento de este modelo está dado

por la ecuación 6-4.

Ecuación 6-4

wmm Total *.

=


6.3. Conclusiones del capítulo A partir de las curvas de calibración y de corrección desarrolladas es posible

realizar las mediciones de caudal deseadas para realizar las pruebas de

combustión, teniendo la seguridad de que éste se aproxima al valor real de la

cantidad de aire que se le está suministrando a la cámara.

Las relaciones obtenidas en el proceso de calibración del alimentador de carbón

resultan útiles al momento de conocer el punto de operación de la cámara de

combustión, ya que para obtener la relación aire-combustible actual es necesario

saber la cantidad de la masa de combustible que se quema. Así mismo, estas

relaciones son útiles para saber la velocidad de giro a la que debe operar el tornillo

para satisfacer la taza ideal en la que se debe introducir el carbón a la cámara.

IM-2006-II-10

46

7. ENSAYO DE CÁMARA DE COMBUSTIÓN En este capítulo se muestran las pruebas realizadas a la cámara de combustión,

una vez instalados y calibrados cada uno de los dispositivos que se

implementaron, para este fin fue necesario conseguir el combustible adecuado y

diseñar un experimento. Una vez se tienen los datos es posible analizar su

comportamiento, para conocer cómo se debe operar y cuál es el punto en el que

funciona mejor.

7.1. Experimento Gracias a que la cámara fue instrumentada de tal forma que se pudieran medir las

variables que afectan el proceso de combustión, se desarrolló un experimento

para cuantificar la relación aire-combustible actual para varios puntos de operación

y así encontrar las curvas características del proceso (ver ecuación 7-1). A partir

de esta relación y la relación aire-combustible teórica es posible encontrar el

coeficiente de dilución y a partir de éste encontrar la cantidad de aire en exceso de

la combustión.

Ecuación 7-1

768,0

*01,12*)%(%

016,28*%2

2⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

+=⎟

⎠⎞⎜

⎝⎛

f

Actual

NCbCOCO

N

FA

Fuente: Principles of Energy Conversión, 1979

Para obtener la relación aire-combustible actual del proceso de combustión que se

esté llevando a cabo, se debe realizar un análisis de gases, con el fin de conocer

la composición del producto de la combustión debido a que estas son las variables

requeridas para determinarla (ver imagen 7-1).

IM-2006-II-10

47

Imagen 7-1: Análisis de gases Testo 330-2

Fuente: Registro realizado por el autor

Por otro lado se analizó la temperatura al interior de la cámara de combustión en

función del caudal de entrada, por esta razón es necesario utilizar una termo-cupla

para altas temperaturas, con el fin de encontrar el punto donde se tiene mayor

provecho del combustible.

Finalmente las variables que se deben medir son:

• Caudal de aire de entrada (aire primario y aire secundario)

• Caudal de combustible

• Temperatura interna de la cámara

• Temperatura ambiente

• Análisis de gases ( %O2, %CO y %CO2)

Luego de definir la variables a medir se debe conocer cuáles son los puntos de

operación de interés para probar la cámara. Debido a que se quiere aprovechar al

máximo la capacidad de ésta se hacen las mediciones en función del caudal de

IM-2006-II-10

48

aire que se le está suministrando. Dado que el sistema de alimentación de aire

primario es el encargado de aportar la mayor parte del oxígeno a la combustión se

decide que éste debe operar siempre al 90% de su capacidad, así mismo, como el

sistema de alimentación de aire secundario se encarga de completar la

combustión, éste va a operar en diferentes puntos de su capacidad, con el fin de

poder encontrar la curva característica de las diferentes variables de la combustión

en función del caudal de aire de entrada, por esta razón, se establecen como

puntos de medición, a partir de la medición del caudal en tubo Venturi, cuando el

sistema de aire secundario opera al 30%, 40%, 50%, 60%, 70% y 80% de su

capacidad.

Por otro lado, la alimentación de combustible debe estar dada a una taza

constante, la cual es regulada con la velocidad a la que se le suministra el carbón

con el alimentador que se implementó y ésta se determina en función de la

relación aire-combustible teórica para cada tipo de carbón que corresponda al

primer punto de medición (aire primario 90% y aire secundario 30%), es decir, un

caudal de aire de 0,027 m3/s.

Una vez se conoce cuáles son las variables que se deben medir para caracterizar

la combustión que se está llevando a cabo, es necesario conocer los equipos con

los cuales van a ser medidas:

• Analizador de gases TESTO 330-2

• Termómetro digital (Termo-cupla para bajas y altas temperaturas)

• Tubo Venturi aire primario

• Tubo Venturi aire secundario

• Dispositivo alimentador de carbón

Cada uno de estos instrumentos son instalados adecuadamente con el fin de

obtener mediciones precisas para lograr resultados coherentes. En el caso del

analizador de gases es necesario montar un conducto que lleve los gases de

IM-2006-II-10

49

escape a un lugar donde la temperatura sea menor, debido a que si la temperatura

de los gases es muy alta se puede dañar el dispositivo. Así mismo, la termo-cupla

de alta temperatura se instala en el lecho donde ocurre la combustión, con el fin

de obtener la temperatura máxima que se pueda registrar en el interior de la

cámara y la termo-cupla encargada de medir la temperatura ambiente se debe

ubicar lo más lejos posible, con el fin de que el calentamiento de la cámara no

afecte la medición.

Con el fin de obtener un registro estadístico para cada uno de los puntos a medir

se realizan 6 muestras, cada una con un intervalo de 30 segundos,

aproximadamente, para darle tiempo al sistema para que se estabilice y el proceso

de combustión se registre en diferentes momentos.

Finalmente, para esta prueba se realizó un formato con el fin de registrar los datos

adecuadamente (ver anexo 3)

7.2. Tipo de combustible empleado para las pruebas A partir del análisis bibliográfico realizado, se encontró que el carbón mineral se

clasifica en cuatro tipos, los cuales son:

• Lignita

• Sub-bituminosos

• Bituminosos

• Antrasíticos

Cada uno de estos se caracteriza por tener un rango de poder calorífico diferente,

como se muestra en la tabla 7-1.

IM-2006-II-10

50

Tabla 7-1: Clasificación del carbón

Fuente: Combustion engineering, 1998

Por otro lado, debido a que su composición química depende de la procedencia y

ésta es la que determina la relación aire-combustible teórica es necesario conocer

cómo se conforma el carbón para realizar las pruebas de la cámara, por esta

razón, el análisis próximo del carbón que se va a utilizar es indispensable.

Dado que se desea comparar el comportamiento de la cámara se realizaron

pruebas con dos diferentes tipos de carbón, cuya muestra y análisis próximo

fueron suministrados por una industria de cerámicos que los utiliza para alimentar

su horno Hoffman (ver anexo 4). Los valores de este análisis se resumen en la

tabla 7-2 y 7-3.

Tabla 7-2: Análisis próximo carbón 1 Análisis próximo (%)

Materia voláti l 37,20 0,372 Carbón Fijo 43,70 0,437 Humedad 4,67 0,0467

Ceniza 14,43 0,1443 Total 100 1

Azufre 2,23 0,0223 Fuente: Realizada por el autor con base en el anexo 4

IM-2006-II-10

51

Tabla 7-3: Análisis próximo carbón 2 Análisis próximo (%)

Materia voláti l 36,33 0,3633 Carbón Fijo 52,51 0,5251 Humedad 4,80 0,048

Ceniza 6,36 0,0636 Total 100 1

Azufre 0,63 0,0063 Fuente: Realizada por el autor con base en el anexo 4

A partir del análisis próximo es posible encontrar el análisis último con el

procedimiento descrito en la sección 1-2 llegando a los resultados que se

muestran en las tablas 7-4 y 7-5.

Tabla 7-4: Análisis último carbón 1 Análisis último

C 55,91 0,559 H2 4,37 0,044 N2 1,21 0,012 S 2,23 0,022 O2 17,18 0,172

Humedad 4,67 0,047 Ceniza 14,43 0,144 Total 100,00 1,000

Fuente: Realizada por el autor

Tabla 7-5: Análisis último carbón 2 Análisis último

C 65,76 0,658 H2 4,80 0,048 N2 1,33 0,013 S 0,63 0,006 O2 16,32 0,163

Humedad 4,80 0,048 Ceniza 6,36 0,064 Total 100,00 1,000


IM-2006-II-10

52

A partir de estos valores de la composición química del combustible es posible

conocer la relación aire-combustible teórica que requiere el proceso para que

ocurra una combustión estequeométrica a partir de la siguiente ecuación:

Ecuación 7-2

232,0998,094,766,2 22 OSHC

FA

Teorico

−++=⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

Fuente: Principles of Energy Conversión, 1979

Con esta relación, en función de la composición química del combustible, se

obtuvo el valor de la relación aire-combustible para las dos clases de carbón como

se muestra en la tabla 7-6.

Tabla 7-6: Relación aire-combustible teórica Relación Aire-Combustible (teórica)

Carbón 1 8,141 Kg. aire / Kg. carbón Carbón 2 9,345 Kg. aire / Kg. carbón


A partir de estos valores es posible determinar la cantidad de combustible que se

le debe suministrar a la cámara con el fin de que ésta pueda funcionar a la

máxima capacidad.

Por otro lado, el análisis próximo proporciona información sobre el poder calorífico

del combustible, el cual es importante para saber a cuál clasificación pertenece el

carbón de las muestras (ver tabla 7-7).

Tabla 7-7: Poder calorífico del carbón Poder calorífico

Carbón 1 12023 btu/lb. Carbón 2 12858 btu/lb.

Fuente: Realizada por el autor con base en el anexo 4

IM-2006-II-10

53

A partir de estos valores y la tabla 7-1 se encuentra que las muestras

corresponden al grupo de carbón bituminoso, en particular, al grupo de “High

volatile C bituminous coal”.

Una vez se conoce el combustible es posible conocer algunas de las propiedades

que requiere para una correcta combustión. Según Babcock & Wilcox (1992) para

que comience la conflagración del carbón bituminoso éste se debe exponer a una

temperatura de 340 ºC, aproximadamente, así mismo, para lograr una mejor

combustión del carbón mineral se requiere un aire en exceso entre el 15% y el

40% del aire teórico.

Con esta información es posible calcular los valores del flujo de combustible que

se debe suministrar de cada una de las muestras (ver tabla 7-8).

Tabla 7-8: Parámetros de la prueba Parámetros de la prueba

Flujo de aire inicial 77,76 kg aire /h Flujo de carbón 9,55 Kg C / hora Carbón 1

Velocidad de alimentador 17 rpm Flujo de aire inicial 77,76 kg aire /h

Flujo de carbón 8,32 Kg C / hora Carbón 2 Velocidad de alimentador 15 rpm Fuente: Realizada por el autor

Así mismo se puede predecir cuál es el mejor punto donde ocurre la combustión,

teniendo en cuenta que la combustión ideal ocurre cuando se tiene un aire en

exceso del 40% del valor teórico (ver tabla 7-9).

Tabla 7-9: Caudal de aire para combustión ideal 108,864 Kg aire / hora Caudal ideal (1,4

caudal teórico) 0,038 m3 aire / seg. Fuente: Realizada por el autor

Una vez se tienen completamente definidas las variables del proceso se pueden

realizar las pruebas, con el fin de encontrar cómo es el comportamiento de la

IM-2006-II-10

54

combustión en función del caudal de aire que se le suministra al sistema (ver

imagen 7-2).

Imagen 7-2: Pruebas de combustión

Fuente: Registro realizado por el autor

7.3. Resultados Una vez realizadas las pruebas con las dos diferentes clases de carbón se

obtuvieron los resultados de acuerdo con los datos registrados en el formato

preestablecido (ver anexo 5).

A partir de estos valores se pudo analizar el comportamiento de variables, tales

como la temperatura, la concentración de los gases de escape y la relación aire-

combustible actual, así como el coeficiente de dilución (ver anexo 6).

Estos resultados se analizaron en función del flujo de aire que se le suministraba a

la cámara, dado que es la variable que altera el proceso, con el fin de encontrar en

cuál punto se produce la mejor combustión desde el punto de vista del

aprovechamiento del combustible, así como teniendo en cuenta la perspectiva

ambiental haciendo el sistema más amigable con el entorno.

IM-2006-II-10

55

• Temperatura

Esta es la variable del proceso de mayor interés desde el punto de vista de

producción y se ve afectada por diferentes propiedades del sistema, como lo son

el poder calorífico y la humedad del combustible, la temperatura y el caudal del

aire que se suministra, por esta razón se busca conocer bajo qué condiciones de

combustión alcanza el mayor valor.

Los datos obtenidos para este análisis son resultado de las lecturas en el

termómetro digital y la termocupla para altas temperaturas. Los valores registrados

para cada una de las pruebas se muestran el la gráfica 7-1 y están dados en

función del caudal de aire que se suministra, dado que en las pruebas se buscó

que el resto de variables permanecieran constantes.

Gráfica 7-1: Temperatura de la cámara

Comparación 1

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0,025 0,027 0,029 0,031 0,033 0,035 0,037 0,039 0,041 0,043Caudal total (m

3/s)

Tem

pera

tura

(ºC)

Carbón 1 Carbón 2


En esta gráfica se aprecia la tendencia de la temperatura de una combustión en

función de la relación aire-combustible, en donde a bajas concentraciones de aire,

respecto a la estequeométrica, la temperatura es menor. A medida que el aire en

la combustión aumente se llega al punto donde la combustión es ideal y entre más

aire se le suministre al proceso, la temperatura comienza a descender.

IM-2006-II-10

56

El punto de mayor temperatura respecto al caudal de aire de estos combustibles

son consistentes, ya que para el carbón 1 la temperatura máxima se alcanza

primero, dado que la relación aire-combustible es menor que la del carbón 2.

Por otro lado, la temperatura máxima alcanzada es mayor en el carbón 2, dado

que el poder calorífico es más alto y la humedad que tiene el combustible es

similar a la del carbón 1.

Así mismo se observa que para el carbón 2, con altos caudales de aire, la

temperatura desciende a valores cercanos a la del punto en el cual el combustible

arde por sí sólo, por esta razón, no fue posible realizar la medición en el punto de

caudal máximo establecido en el formato.

• Concentración de oxígeno en la emisión

A parir del análisis de gases que se realizó en las pruebas fue posible determinar

cómo varía la concentración de las distintas sustancias de los gases de escape.

En este caso se analizó la concentración de oxígeno en los productos de la

combustión (ver gráfica 7-1).

Gráfica 7-2: Concentración de oxigeno en las emisiones

Comparación 2

14,0

15,0

16,0

17,0

18,0

19,0

20,0

21,0

0,025 0,027 0,029 0,031 0,033 0,035 0,037 0,039 0,041 0,043Caudal (m3/s)

Con

cent

ració

n O2

(%)

Carbón 1 Carbón 2


IM-2006-II-10

57

En esta gráfica se observa que a medida que se incrementa el caudal de aire, la

concentración de oxígeno también lo hace, dado que la combustión ya se ha

completado y no consume el exceso de oxígeno que se le suministra. Para las dos

muestras de carbón se observa el mismo comportamiento

• Concentración de dióxido de carbono en la emisión

La importancia de analizar esta salida del sistema recae en el hecho de ser un

agente contamínate, el cual, al quedar en el ambiente afecta el entorno donde

opera la cámara. Esta variable, al igual que la concentración de oxígeno, fue

medida con el analizador de gases y su registro se muestra en la gráfica 7-3

Gráfica 7-3: Concentración de dióxido de carbono

Comparación 3

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

0,025 0,027 0,029 0,031 0,033 0,035 0,037 0,039 0,041 0,043

Caudal (m3/s)

Con

cent

raci

ón C

O2

Carbón 1 Carbón 2


En este caso, al igual que la temperatura, se observa que la mayor concentración

ocurre en el punto donde la combustión es cercana a la estequeométrica. Este

comportamiento no es ideal, debido a que teniendo en cuenta los intereses a nivel

industrial, se busca el punto de mayor temperatura, el cual, corresponde al de

mayor concentración, siendo éste el punto donde más contamina el dispositivo.

IM-2006-II-10

58

En los dos casos se observa, que una vez se supera la concentración máxima de

dióxido de carbono, ésta comienza a descender a medida que aumenta el caudal

de aire, lo que muestra que el sistema de aire secundario sí cumple la labor de

completar la combustión y así reducir las emisiones.

• Relación aire-combustible actual

A partir de los datos obtenidos con el análisis de gases y la ecuación 7-1 es

posible encontrar la relación aire-combustible que está ocurriendo en cada

instante (ver anexo 6). Este valor es de gran utilidad, dado que permite determinar

cuánto aire se le está suministrando al sistema en relación a la cantidad del

combustible que se está quemando. El comportamiento de esta relación se ilustra

en la gráfica 7-4

Gráfica 7-4: Relación aire-combustible actual

Comparación 4

0

20

40

60

80

100

120

140

0,025 0,027 0,029 0,031 0,033 0,035 0,037 0,039 0,041Caudal (m3/s)

Aire

-Com

bust

ible

act

ual

Carbón 1 Carbón 2


En este caso, para el carbón 2 se observa una tendencia coherente con los

fenómenos físicos que están ocurriendo en la combustión, ya que a medida que se

le aumenta el caudal de aire que ingresa a la cámara, la relación aire-combustible

real también sube, lo que significa que efectivamente se están suministrando una

mayor masa de aire por la cantidad de combustible que existe.

IM-2006-II-10

59

La inconsistencia que se observa en estos datos es que la magnitud de la relación

está por encima de la esperada. Una de las posibles razones es que la medición

del análisis de gases se haya realizado en un punto en el que la sonda del

analizador no estuviera expuesta a altas temperaturas, con el fin de protegerla y

por esta razón, los gases que le incidieron pudieron contener partes del aire del

ambiente haciendo que los cálculos resulten con una alta concentración de aire.

• Coeficiente de dilución

Finalmente, el coeficiente de dilución es una función de la relación aire-

combustible real y teórica, la cual permite conocer el porcentaje de aire en exceso

que se le está suministrando a la combustión (ver gráfica 7-5).

Gráfica 7-5: Coeficiente de dilución

Comparación 5

0

2

4

6

8

10

12

14

0,025 0,027 0,029 0,031 0,033 0,035 0,037 0,039 0,041 0,043Caudal (m3/s)

Coe

ficie

nte

de d

iluci

on

Carbón 1 Carbón 2


Dado que la relación aire-combustible resultó con valores muy altos, el coeficiente

de dilución muestra que el sistema se está alimentando con una cantidad de aire

por encima de 6 veces de lo que se debería alimentar, lo que no permite

establecer realmente cómo está siendo aprovechado por la combustión el caudal

de aire que se le está suministrando.

IM-2006-II-10

60

7.4. Conclusiones del capítulo Para diseñar el experimento de medición es necesario conocer todas las variables

que afectan el proceso, con el fin de cuantificar los datos de interés correctamente,

así como conocer y saber manipular los instrumentos de medición.

Es indispensable tener claridad sobre las características del combustible, dado

que con ésto se puede conocer el punto donde existe la mejor relación aire-

combustible y así cuantificar el caudal de aire y combustible que se le debe

suministrar al sistema.

Dentro de los resultados obtenidos se encontró que la relación aire-combustible

afecta considerablemente la combustión y ésto se observa en la variación de la

temperatura y la concentración en las emisiones, en función del caudal.

IM-2006-II-10

61

CONCLUCIONES Al modificar el sistema de alimentación de aire primario se logró una mayor

cobertura de la superficie de quemado, gracias a que su área de salida es mucho

mayor que la del anterior y a su vez se ubicó en el centro de la parrilla haciendo

que el combustible se consuma de forma homogénea y se aproveche en gran

parte la capacidad del cilindro.

De igual forma, al instalar un ventilador para el aire secundario de mayor

capacidad se logra que la combustión sea completa y que se queme mayor

cantidad de combustible en menor tiempo.

Con la implementación del sistema para cuantificar y controlar el flujo de aire que

se le suministra al sistema se puede encontrar un punto en el que se optimice la

combustión al reducir las emisiones y poner a funcionar la cámara en el punto

donde alcance mayor temperatura.

A partir de las pruebas del sistema de alimentación de aire se observó que las

pérdidas de presión en la tubería reducen el caudal de aire que pueden

suministrar los ventiladores, ésto se hace evidente cuando al sistema de aire

primario se le instala el codo que conecta el tubo Venturi con el cilindro. A pesar

de ésto la capacidad que tiene el flujo de aire es suficiente para satisfacer el

proceso de combustión.

A partir del montaje del dispositivo para suministrar el combustible se logró

cuantificar y controlar la cantidad de carbón que necesita la cámara, con el fin de

satisfacer el flujo de carbón requerido para que ocurra una combustión óptima.

Para lograr una correcta satisfacción del flujo de carbón este dispositivo debe

operar de manera constante, con el fin de que la cantidad desplazada siempre sea

la misma y ésto se garantiza al mover el tornillo a una velocidad de giro constante.

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A partir de la implementación del dispositivo para la eliminación de residuo fue

posible remover las partículas producto de la quema del carbón, una de las

implicaciones que tiene este diseño es la selección del material adecuado debido

a las altas temperaturas que existen en este punto.

Una de las mayores complicaciones que se tiene en la eliminación de ceniza es la

operación manual del dispositivo a medida que se quema el carbón, debido a que

la velocidad de giro que el operario le puede suministrar no es suficiente para

remover todo el material que se acumula, así como el hecho de que el

funcionamiento no es constante.

A partir de las curvas de calibración y de corrección desarrolladas para el sistema

de alimentación de aire se pueden obtener las mediciones de caudal precisas para

realizar las pruebas de combustión y poner a funcionar la cámara en el punto

donde la relación aire-combustible sea ideal.

Las relaciones obtenidas en el proceso de calibración del alimentador de carbón

resultan útiles al momento de conocer el punto de operación de la cámara de

combustión, ya que para obtener la relación aire-combustible es necesario saber

la cantidad de la masa de combustible que se quema. Así mismo, estas relaciones

son útiles para saber la velocidad de giro a la que debe operar el tornillo para

satisfacer la taza ideal en la que se debe introducir el carbón a la cámara.

Dado que en el proceso de combustión se debe satisfacer la relación aire-

combustible ideal se tiene que encontrar el valor teórico de esta relación a partir

de la composición química del combustible, por esta razón es necesario conocer el

análisis próximo del carbón y a partir de éste llegar al análisis último, el cual

cuantifica los componentes del combustible.

En las pruebas obtenidas se observa cómo varía la temperatura de la combustión

en función de si la mezcla es rica o pobre y del punto donde se llega al máximo

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registro. Con esta información se puede establecer el punto donde se le saca un

mayor provecho a la combustión.

Así mismo se observó cómo varía la concentración de los diversos productos de la

combustión en función del caudal y a partir de ésto establecer cuál es el punto de

operación más limpio de la cámara para cada tipo de carbón que se utilice.

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RECOMENDACIONES

En primer lugar, se recomienda iniciar el proceso de combustión incrementando la

temperatura interna, con el fin de que el carbón llegue al punto donde comienza a

arder por sí sólo, por lo cual, así como lo recomienda Chacón en su proyecto de

grado, se debe encender un paño impregnado de combustible no explosivo para

aumentar la temperatura y así eliminar la humedad y parte del material volátil que

existe. A su vez se debe alimentar con el aire primario. Una vez el carbón arda por

sí mismo se debe encender el aire secundario y suministrar carbón en pequeñas

cantidades, con el fin de que éste comience a calentarse. Este proceso de

encendido puede tardar entre 30 y 40 minutos, aproximadamente.

El punto de mejor operación de la cámara de combustión se encuentra a partir de

la relación aire-combustible. Debido a que esta relación varía para cada tipo de

carbón se debe conocer la composición química de cada uno de los que se

pretenda utilizar como combustible. Esta composición es obtiene a partir del

análisis próximo y con éste se puede llegar al análisis último, el cual se utiliza para

encontrar el valor de interés.

Dentro de las mejoras que requiere la cámara de combustión está la

implementación de un conducto que permita recoger los gases directamente del

punto de emisión, con el fin de que el analizador registre las concentraciones

correctas de los gases de escape y que éstos no se afecten por el aire del

entorno, así mismo al implementar este conducto se puede ubicar el analizador en

un punto más lejano, previniendo que éste se dañe a causa de la alta temperatura.

Con el fin de mejorar el proceso de eliminación de ceniza, se debe instalar un

motor eléctrico que obligue a un funcionamiento continuo y constante para obtener

mejores resultados y garantizar que los residuos se eliminen constantemente.

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En cuanto a la seguridad de la operación se recomienda que el funcionamiento del

dispositivo se realice en un espacio con buena ventilación, con el fin de evitar altas

concentraciones de los gases de emisión, los cuales son contaminantes y

perjudiciales para los operarios del dispositivo, por esta razón, deben utilizar

implementos de protección personal tales como guantes, gafas, tapabocas, etc.,

con el fin de evitar cualquier lesión física. Finalmente se recomienda implementar

elementos de protección para el entorno, tales como extintores o aspersores de

agua para utilizarlos en caso de cualquier emergencia.

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BILIOGRAFÍA

Libros:

• BABCOCK & WILCOX, STEAM its generation and use, 40th edition, 1992

• BAUMEISTER, Theodore., AVALLONE, Eugene A., BAUMEISTER III,

Theodore. MARKS Manual del Ingeniero Mecánico, Volumen II, editorial

McGraw-Hill, Octava edición (Segunda edición en español), 1978.

• BECWITH, T. G., MARANGONI, R. D., LIENHARD, J. H., Mechanical

Measurements, fifth edition, Editorial Pearson Prentice Hall

• BORMAN, Gary L., Combustion Engineering, International edition, McGraw-Hill,

1998

• CHACÓN, Alejandro, Diseño y construcción de cámara de combustión para

análisis y optimización de la combustión de carbón mineral granulado, Proyecto

de grado, Universidad de los Andes, 2006

• CULP, Archie W., Principles of Energy Conversion, McGraw-Hill, 1979

• MUSON, Bruce R., YOUNG, Donald F., OKISHI, Theodore H., Fundamentos

de Mecánica de Fluidos, editorial LIMUSA, 1999.

• PERRY, Robert H., GREEN, Don W., MALONEY, James O., PERRY Manual

del Ingeniero Quimico, Volumen III, editorial McGraw-Hill, Septima Edición

(Cuarta edición en español), 2001.

Internet:

• Sitio Web de la universidad de Stanford: http://www.stanford.edu

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ANEXOS

• Anexo 1: Planos de tubo venturi Aire primario y secundario

Plano venturi aire primario

Fuente: Elaborado por el autor

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Plano venturi aire secundario


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• Anexo 2: Planos de sistema de alimentación de carbón

Plano mecanismo de alimentación


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Plano tolva sistema de alimentación de carbón


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• Anexo 3: Formato de medición

C %O2 %H %S %N %

Ceniza %Humedad %

Tiempo de medición

Temperatura camara (ºC)

Temperatura ambiente (ºC) O2 % CO % CO2 % Numero de vueltas

alimentador

00:30

01:0001:30

02:0002:30

03:00

00:3001:00

01:3002:00

02:3003:00

00:30

01:00

01:3002:00

02:3003:00

00:30

01:0001:30

02:0002:30

03:00

00:3001:00

01:30

02:0002:30

03:00

00:3001:00

01:3002:00

02:3003:00

90% 80%

90%

90%

90%

90%

90%

70%

Prueba de camara de combustion de carbon mineral granulado

Compocicion teorica de carbon (analisis ultimo)

40%

50%

dh (mm) Aire primario

dh (mm) Aire secundario

Hora final:

Fecha:

Hora de inicio:

60%

30%


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• Anexo 4: Análisis próximo de las muestras

Análisis próximo carbón 1

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Análisis próximo carbón 2

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• Anexo 5: Datos medidos en las pruebas

Prueba carbón 1 Tiempo de medición


Temperatura ambiente (ºC) O2 % CO (PPM) CO2 %

00:30 670 21 20,0 10,0 17,7 760 2,68

01:00 649 21,1 20,0 9,0 17,8 780 2,8901:30 530 21,1 19,5 9,5 17,8 653 2,73

02:00 650 21,2 21,0 10,0 18,3 984 2,6702:30 560 21,2 21,0 9,5 18,2 1451 2,4103:00 617 21,2 19,5 9,5 17,9 920 2,57

Promedio 612,67 21,13 20,17 9,58 17,95 924,67 2,66Desv. Est. 55,91 0,08 0,68 0,38 0,24 283,70 0,16

00:30 688,2 21,2 22,0 18,0 17,9 932 2,8901:00 709,3 21,2 22,0 17,5 18 830 3,4201:30 645,4 21,1 22,0 19,0 17,8 853 2,69

02:00 781,5 21,1 20,0 18,5 17,2 1047 3,3102:30 747,7 21,2 19,5 18,0 17,4 861 3,16

03:00 690 21,3 20,0 19,5 17,9 1495 2,76Promedio 710,35 21,18 20,92 18,42 17,70 1003,00 3,04Desv. Est. 48,13 0,08 1,20 0,74 0,32 253,63 0,30

00:30 593,6 21,3 20,0 22,0 18,5 1540 2,2501:00 587,2 21,3 20,0 22,5 18,6 1650 2,15

01:30 563,5 21,2 21,0 22,0 18,8 1753 2,1002:00 541,7 21,2 19,5 23,0 18,7 1785 2,1902:30 572,4 21,2 20,0 22,0 18,3 1803 2,22

03:00 557,6 21,3 19,5 22,5 18,9 1674 1,87Promedio 569,33 21,25 20,00 22,33 18,63 1700,83 2,13

Desv. Est. 19,25 0,05 0,55 0,41 0,22 99,41 0,1400:30 495,2 21,5 20,0 26,5 18,9 1931 2,3301:00 525,2 21,6 20,0 26,0 18,7 2390 1,63

01:30 473,3 21,6 19,5 26,5 19,3 2200 1,7402:00 540,7 21,7 21,0 26,5 18,9 2171 1,89

02:30 432,6 21,3 21,0 26,0 18,8 1941 1,6403:00 515,7 21,5 22,0 25,5 18,7 2567 1,68

Promedio 497,12 21,53 20,58 26,17 18,88 2200,00 1,82

Desv. Est. 39,41 0,14 0,92 0,41 0,22 249,43 0,2700:30 396,7 21,6 21,0 30,5 18,7 1593 1,99

01:00 365,8 22 21,0 30,0 19,0 1547 1,9501:30 386,9 22,3 20,0 30,0 18,8 1959 1,9702:00 379,6 22,1 19,5 29,5 19,0 1759 1,67

02:30 361,4 22,2 19,5 30,0 19,3 1787 1,4203:00 365 22,2 20,0 30,0 19,2 1949 1,95


0,90 0,70

0,90 0,80

80%90%

50%

60%

dh (mm) Aire pr imario

dh (mm) Aire secundar io

0,90 0,40

0,90 0,50

70%

40%

90%

90%

90%

90%

0,90 0,60

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Prueba carbón 2 Tiempo de medición


Temperatura ambiente (ºC) O2 % CO (PPM) CO2 %

00:30 444 19,3 20,0 10,0 19,3 1950 1,53

01:00 436 19,3 20,0 9,0 18,7 2170 1,2

01:30 451 19,2 19,5 9,5 18,9 2251 1,25

02:00 530 19,2 21,0 10,0 19,3 1080 1,7

02:30 631 19,2 21,0 9,5 19,1 1006 1,45

03:00 664 19,3 19,5 9,5 19,2 1140 1,5

Promedio 526,00 19,25 20,17 9,58 19,08 1599,50 1,44

Desv. Est. 100,53 0,05 0,68 0,38 0,24 584,13 0,1900:30 750 19,2 22,0 18,0 19,5 1007 1,35

01:00 794 19,2 22,0 17,5 18,8 446 1,28

01:30 660 19,2 22,0 19,0 19,2 530 1,38

02:00 690 19,3 20,0 18,5 19,3 646 1,25

02:30 680 19,3 19,5 18,0 18,9 440 1,26

03:00 620 19,4 20,0 19,5 19,5 720 1,34


00:30 617 19,4 20,0 22,0 19,6 343 1,80

01:00 720 19,4 20,0 22,5 19,6 380 1,70

01:30 818 19,3 21,0 22,0 19,4 503 1,80

02:00 714 19,3 19,5 23,0 18,9 608 1,75

02:30 700 19,4 20,0 22,0 18,9 1059 1,90

03:00 650 19,4 19,5 22,5 19,8 360 1,80


00:30 970 19,3 20,0 26,5 19,5 1125 1,87

01:00 860 19,3 20,0 26,0 19,8 894 2,11

01:30 840 19,3 19,5 26,5 19,7 515 1,12

02:00 560 19,2 21,0 26,5 19,3 360 1,25

02:30 630 19,2 21,0 26,0 19,7 510 2,04

03:00 670 19,3 22,0 25,5 19,2 460 1,80


00:30 780 19,3 21,0 30,5 20,2 309 1,9

01:00 890 19,3 21,0 30,0 19,9 326 1,06

01:30 902 19,2 20,0 30,0 20,0 380 1,68

02:00 1004 19,2 19,5 29,5 20,1 325 1,21

02:30 820 19,1 19,5 30,0 19,8 490 1,4

03:00 640 19,2 20,0 30,0 19,6 370 1,37

Promedio 839,33 19,22 20,17 30,00 19,94 366,67 1,44

Desv. Est. 124,29 0,08 0,68 0,32 0,21 66,51 0,3100:30 800 19,3 20,0 34,5 20,4 240 -

01:00 701 19,3 21,0 35,0 20,6 190 -

01:30 716 19,2 19,5 35,0 20,6 149 -

02:00 809 19,3 20,0 35,0 20,8 20 -

02:30 760 19,4 21,0 35,5 20,6 14 -

03:00 695 19,2 21,0 35,0 20,9 12 -

Promedio 746,83 19,28 20,42 35,00 20,65 104,17 #¡DIV/0!Desv. Est. 50,21 0,08 0,66 0,32 0,18 101,53 #¡DIV/0!

70%

40%

90%

90%

90%

90%

0,90 0,60

50%

60%

dh (mm) Air e primario

dh (mm) Aire secundario

0,90 0,40

0,90 0,50

0,90 0,70

0,90 0,80

80%90%

0,90 0,90

90% 90%

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• Anexo 6: Calculo de relación aire-combustible actual y coeficiente de dilución

Carbón 1

Carbón 1 Caudal

total (m3/s) Concentración

O2 (%) Concentración

CO (PPM) Concentración

CO2 (%) Aire-combustible

actual Coeficiente de dilución

0,028 17,95 924,67 2,66 50,68 6,23 0,031 17,70 1003,00 3,04 44,27 7,11 0,034 18,63 1700,83 2,13 63,10 8,87 0,037 18,88 2200,00 1,82 73,95 8,33 0,040 19,00 1765,67 1,83 73,58 8,83


Carbón 2

Carbón 2 Caudal total

(m3/s) Concentración

O2 (%) Concentración

CO (PPM) Concentración

CO2 (%) Aire-combustible

actual Coeficiente de dilución

0,027 19,08 1599,50 1,44 121,33 12,98 0,032 19,20 631,50 1,31 121,24 9,34 0,036 19,37 542,17 1,79 87,91 9,41 0,038 19,53 644,00 1,70 92,56 9,83 0,040 19,94 366,67 1,44 109,23 11,11 0,042 20,65 104,17 - - -


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