Transcript 24 PSI - Universidad Nacional Mayor de San Marcos

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica de Fluídos
ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN DE LAS MEZCLAS DE
PETRÓLEO DIESEL 2 CON BIODIESEL DE SOYA, ALGODÓN Y GIRASOL
EN COCINAS NO CONVENCIONALES
Autores:
CUBAS CUBAS, Jhoan Miguel
MARCOS HUATUCO, Rubén
OLIVERA MACEDO, Lorena Luz
SIVIPAUCAR GOMEZ, Clodoaldo Marcos
Asesor:
Ing. Valderrama Romero, Andrés; Ph.D.
Objetivo del proyecto de
Investigación
Análisis del proceso de combustión de las mezclas de diesel 2 con
biodiesel de soya, girasol y algodón, a partir de la obtención de los
parámetros siguientes:
• Cálculo de la cantidad de aire real para quemar 1 kg. de mezclas de
D2 con biodiesel.
• Poder calorífico
• Relación H/C.
• Número de Wobbe .
• Porcentaje de CO2 producto de la combustión
• Eficiencia de la combustión .
Planteamiento del estudio
El estudio se realiza en las siguientes etapas :
• Primera etapa; determinación de la composición C/H/0/S/
de los biodiesel de soya, girasol y algodón.
• Segunda etapa; cálculo de las reacciones de combustión de
la mezcla del petróleo diesel 2 con biodiesel de soya, girasol
y algodón; considerando los límites de inflamabilidad.
• Tercera etapa; cálculo de los parámetros de la combustión:
poder calorífico, relación H/C, número de Wobbe,
porcentaje de CO2, eficiencia del proceso de combustión.
Fotografías de los equipos e instrumentos para los ensayos
experimentales
Cocina no convencional
Mezclas de diesel 2 con biodiesel
Pulverizadores 1, 2, 3, 4 y agujas respectivas
Adaptación de la cocina no convencional para los ensayos experimentales
Instrumentos empleados
Termómetro digital
Manómetro
Tipos de Combustión
11.Combustión ideal
Denominada también combustión teórica.
11.1 Combustión ideal con aire
Para la combustión ideal con aire consideraremos que:
H2 se oxida H2O
S
se oxida
SO2
C se oxida CO2
SO 2 + H2O
se oxida
ácido sulfúrico
la combustión de un hidrocarburo de la forma C x H y, la
ecuación de la reacción es de la forma:
Para
CxHy + bO2+ c N 2
d CO2 + e H2O + f N 2
1.2 Combustión ideal con exceso de aire
PPara la oxidación completa del combustible, se necesitará exceso de
aire.
MMezcla rica: cantidad de aire menor que la estequiometria (aire en
defecto)
MMezcla pobre: cantidad de aire mayor que la estequiometria (aire en
exceso).
Cuando la combustión es completa, el oxigeno en exceso, aparece en los
productos y la ecuación de la reacción tendrá la siguiente forma.
Cx Hy + B (O2 + 3.76 N2 )
dCO2 +e H2O + f N2 + gO2
22. Combustión real
22.1 Combustión con deficiencia de aire En estos procesos el
carbono reacciona formando C ,O y C O2 en proporciones que
dependen de la deficiencia de aire y se determinan balanceando la
ecuación de reacción
22.2 Combustión real con defecto de aire; la ecuación de la
reacción es de la forma:
C
Cx H y+ BO2 + 3.76 N2
º
i CO2 + j CO + e H2O + f N2 + g O2
Los coeficientes i, j, e, f, y g deben ser para la combustión real a
partir de la información que obtiene, por alguno de los métodos
existentes para el análisis de los promedios.
Composición gravimétrica del diesel 2 y de los
biodiesel de soya, girasol y algodón
Diesel 2: C/H/O/S
= 0,87/0,126/0,003/0,001
Biodiesel de soya: C/H/O
= 0,77/0,12/0,11
Biodiesel de girasol: C/H/O = 0,628/0,202/0,17
Biodiesel de algodón: C/H/O = 0,621/0,204/0,174
Ejm. de una mezcla: Diesel 2 (70%) con biodiesel de soya (30%)
77
 6.417
12
12
H2   6
2
11
O2   0.3443
32
C
Biodiesel
de soya
87
 7.25
12
12.6
H2 
 6.3
2
0.4
O2 
 0.0125
32
C
Diesel 2
Reacción
% Diesel 2
+
% Biodiesel de soya
+ aire
dCO2 + eH2O + fN2 + gO2
0.7(7.25C+6.3H2+ 0.0125 O2) + 0.3(6.417C+6H2+0.34375O2) + 1.25B(O2+3.76N2)
d CO2 + eH2O + fN2 + gO2
Metodología
Se muestra un ejemplo con exceso de aire: 125% aire teórico:
Ecuación de la Combustión Completa con exceso de aire
0.7 (7.25 C + 6.3 H2 + 0.0125 O2)+0.3(6.417 C+ 6 H2 + 0.34375 O2) +
1.25B ( O2 + 3.76 N2)
d CO2 + eH2O + fN2 + gO2
7 C + 6.21H2 + 0.119 O2 + 1.5B(O2+3.76 N2)
Balanceo:
d CO2 + e H2O + f N2 + gO2
d ( CO 2) = 7
e (H2O) = 6.21
2 g (O2) = 19.9863 – 2.5 B
f (N2) = 46.9677
Ecuación Estequiométrica
7C + 6.21 H2 + 0.119 O2 + 1.5 B (O2 + 3.76 N2) = d´ CO2 + e´ H2O + f ´ N2 + g´O2
Balanceo:
B (aire) = 9.9931
d´ (CO 2) = 7
e´ (H2O) = 6.21
entonces
g (O2)
= 2.4983
Ecuación Balanceada
7C +6.21 H2 + 0.119 O2 + 14.9897 (O2 + 3.76 N2)
dCO2 + e H2O + f N2 + gO
11..55** 9(32
.931
(332
* 28)
.76*328
B
(32
 .376.)76
 2.*
06
28
20.)45
)t  100100
( La 7/ c )r 
( La 7 c
100
Masa de aire real
1.5 B (32  3.76 * 28)
(L
)r 
a/c
100
Masa de aire teórico
B (32  3.76 * 28)
( La 7 c )t 
100
Análisis gravimétrico de los gases de combustión
Peso de CO2 = 7* (12+32) = 308
Peso de N2 = 46.9677* (28) =1315.0953
Peso de H2O = 6.21 * (2+16)= 111.78
Peso de O2 = 2.4983* (32) = 79.9450
Total =1814.8203
Porcentaje de CO2:
% CO 2 = 308/1814.8203 = 0.1697
Peso de C = 7* (12)
= 84
Peso de H2 = 6.21 * (2+16)
= 12.42
Peso de O2 = 0.119* (32)
= 3.58
Peso de aire = 14.9897 * (32+3.76*28)= 2027.7843
Total
= 2157.7843
Relación H / C:
H / C = 12.42 / 84 = 0.1479
Análisis de Resultados
Se ensayaron con mezclas en volumen de diesel 2 con 10%,
20%, 30% y 50% de biodiesel de soya, girasol y algodón.
Los resultados del análisis cualitativo y cuantitativo del proceso
de combustión de las mezclas, tomando en cuenta la relación
estequiométrica y para mezclas empobrecidas, denuestra que es
posible reemplazar parcialmente al petróleo diesel 2 por
biodiesel, alcanzando condiciones óptimas de desprendimiento y
aprovechamiento de calor. Así mismo se demuestra que los
niveles de producción de CO2 son menores que el producido por
el Diesel 2
Resultados de % CO 2 , relación H/C , Nº WOOBE
% C0 2
H/C
Nº WOOBE
%
Biodiese
l en la
mezcla
SOYA
GIRASOL
ALGODÓN
SOYA
GIRASOL
ALGODÓN
SOYA
GIRASOL
ALGODÓN
B10
17.2953
16.9895
16.9761
0.1458
0.158
0.1583
1556.413
1562.277
1560.591
B20
17.1337
16.5218
16.495
0.1468
0.1719
0.1726
1529.939
1541.386
1538.136
B30
16.9714
16.053
16.0128
0.1479
0.1866
0.1879
1504.008
1520.77
1516.073
B40
16.8063
15.5832
15.5294
0.1489
0.2023
0.204
1478.606
1500.422
1494.392
B50
16.6445
15.1124
15.0449
0.15
0.219
0.2213
1453.718
1480.338
1473.085
% CO2 emitido en la combustión de la mezclas Diesel 2 y biodiesel que
presentan mayor eficiencia trabajando con los pulverizador 1 y 2
El incremento del porcentaje de aire teórico presente en la combustión de la mezcla
de diesel 2 y biodiesel, favorece la disminución de emisión de CO 2
% CO2 emitido en la combustión de la mezclas Diesel 2 y biodiesel que
presentan mayor eficiencia trabajando con los pulverizador 3 y 4
El mayor porcentaje de CO2 emitido se presenta en la combustión de la soya B20; y el
menor porcentaje de CO2 emitido se presenta en la combustión de algodón B50
Porcentaje CO2 emitido en la combustión con un 50% de aire en
exceso respecto al porcentaje de biodiesel presente en la mezcla
Dióxido de carbono disminuye en la combustión de la mezcla diesel 2 y
biodiesel de algodón en comparación con las otras mezclas.
D E N S ID A D E N E R G ÉT IC A D E
C O M B US T IB LE
H / C
UN
0.23
H /C
0.21
0.19
0.17
0.15
0.13
B10
SOY A
B20
B30
B40
B50
% M E Z C LA
GI R A SOL
A LGOD ÓN
El incremento del porcentaje de biodiesel en la mezcla, permite incrementa
la densidad energética, determinada a través de la relación H/C.
Explicar abajo los cuadros
La cantidad de energía disponible en la combustión a través del inyector
(pulverizador), determinado con el número Wobbe, disminuye con el
incremento del porcentaje de biodiesel en la mezcla.
Temperaturas de la flama para el cálculo del calor
1. Temperatura de la flama D2 + BIODIESEL DE SOYA
24 PSI
32 PSI
D2+B
SOYA
PULVERIZADOR 1
PULVERIZADOR 2
PULVERIZADOR 1
PULVERIZADOR 2
T corona
T
media
T núcleo
T
corona
T media
20
655
832
942
770
880
1000
791
858
1019
744
981
1041
30
580
828
931
660
870
895
610
843
965
810
880
950
50
805
961
976
740
860
970
877
975
1026
785
928
1070
% mezcla
D2+ B
SOYA
T
T corona T media T núcleo T corona T media T núcleo
núcleo
24 PSI
32 PSI
PULVERIZADOR 4
PULVERIZADOR 4
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
20
616
816
959
625
830
990
30
700
885
968
831
935
1013
50
670
850
925
740
870
952
% mezcla
2. Temperatura de la flama D2 + BIODIESEL DE GIRASOL
24 PSI
D2 + B
GIRASOL
PULVERIZADOR 1
32 PSI
PULVERIZADOR 2
PULVERIZADOR 1
PULVERIZADOR 2
% mezcla
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
705
922
957
870
975
1000
585
825
920
845
955
1028
30
562
794
832
675
830
960
622
814
1010
650
940
975
50
634
814
955
670
870
900
665
895
996
784
880
933
20
24 PSI
D2 + B
GIRASOL
PULVERIZADOR 1
% mezcla
32 PSI
PULVERIZADOR 2
PULVERIZADOR 1
PULVERIZADOR 2
T
corona
T
media
T
nucleo
T
corona
T
media
T
nucleo
T
corona
T
media
T
nucleo
T
corona
T
media
T
nucleo
672
824
930
686
940
966
772
835
982
739
942
1006
30
803
845
972
707
956
1005
815
893
992
740
985
1022
50
815
938
997
800
942
1000
847
942
1006
815
974
1023
20
3. Temperatura de la flama D2 + BIODIESEL DE ALGODON
D2 + B
ALGODÓN
32 PSI
24 PSI
PULVERIZADOR 1
PULVERIZADOR 2
PULVERIZADOR 2
PULVERIZADOR 1
% mezcla
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
20
593
845
907
625
895
975
701
894
995
695
880
935
30
565
800
926
680
880
945
580
693
950
787
880
992
50
544
760
885
700
885
975
565
793
910
740
940
996
32 PSI
24 PSI
D2 + B
ALGODÓN
PULVERIZADOR 1
PULVERIZADOR 2
PULVERIZADOR 1
PULVERIZADOR 2
% mezcla
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
T
corona
T
media
T
núcleo
20
650
880
985
610
705
850
830
970
1005
632
790
885
30
755
847
988
622
748
890
778
858
994
648
755
916
50
755
968
1026
545
704
864
805
987
1034
550
771
880
Calor aprovechado durante el proceso de
combustión de las mezclas
Para evaluar la cantidad de calor aprovechado por las mezclas de Diesel
2 con biodiesel de soya, girasol y algodón, se deberá considerar la
relación siguiente:
Qaprovechado  Qconv1  Qconv2  Qrad 1
Q aprovechado: calor total entregado al agua durante la combustión
Q convección 1: calor entregado al agua por convección a través del
área libre
Q convección 2: calor entregado al agua por convección a través del área
de contacto con la tetera
Q radiación 1: calor entregado al agua por radiación
Calor Perdido
Para evaluar la cantidad de calor perdido durante la
combustión por las mezclas de Diesel 2 con biodiesel
de soya, girasol y algodón, se deberá considerar la
relación siguiente
Qperdido  Qradiación 2  Qradiación3
Q perdido: calor perdido durante la combustión
Q radiación 3 : calor perdido por radiación al aire
Q radiación 2: calor perdido por radiación cuando la
flama choca con la superficie de la tetera
CALOR APROVECHADO Y CALOR PERDIDO
7.5
FLUJO DE CALOR (KW)
6
4.5
3
1.5
0
SOYA B20
GIRASOL
B20
ALGODÓN
B20
SOYA B30 GIRASOL B30 ALGODÓN
B30
SOYA B50
GIRASOL
B50
ALGODÓN
B50
% MEZCLA
CALOR PERDIDO
CALOR APROVECHADO
El mejor aprovechamiento del calor desprendido, se produce durante la
combustión de las mezclas de soya B20, girasol B20 y algodón B30.
Eficiencia de la Combustión
La eficiencia en la Combustión de la mezcla de Diesel 2
con Biodiesel de Soya, Girasol y Algodón, se determina
empleando la fórmula siguiente:
Calor aprovechado

 100
Calor aprovechado  calor perdido
EFICIENCIA DE LA COMBUSTIÓN
68
66
Eficiencia (%)
64
62
SOYA
GIRASOL
60
ALGODÓN
58
56
54
52
B20
B30
B50
% MEZCLA
La eficiencia máxima se alcanza con la combustión de una mezcla con
30% de biodiesel de soya y algodón
Variación del poder calorífico de las mezcla Diesel 2 y Biodiesel de
soya, girasol, algodón
VARIACION DEL PODER CALORIFICO
44900
44400
Hu MJ/kg
43900
SOYA
GIRASOL
43400
ALGODÓN
42900
42400
B10
B20
B30
B40
B50
% DE BIODIESEL
Con un menor porcentaje de biodiesel en la mezcla se obtiene un mayor poder
calorífico (Hu); además las mezclas de diesel 2 y biodiesel de soya y girasol al 10 %
presentan mayor Hu en comparación con la mezcla de diesel 2 y algodón al 10%
Conclusiones
1.
Se ha demostrado que las mezclas de diesel 2 con biodiesel de soya,
girasol y algodón tienen similar comportamiento que un
combustible diesel convencional proveniente de un hidrocarburo.
2.
La cantidad de energía disponible en la combustión a través del
inyector (pulverizador), determinado con el número Wobbe,
disminuye con el incremento del porcentaje de biodiesel en la
mezcla
3.
La densidad energética de un combustible, determinada a través de
la variación de la relación de H/C, para las mezclas de Diesel 2 y
biodiesel de soya, girasol y algodón se incrementa conforme se
incrementa el porcentaje de biodiesel en la mezcla
Conclusiones
4. La eficiencia máxima de la combustión se alcanza
con el 30% de las mezclas de diesel 2 con biodiesel
de soya y algodón. Asimismo, con el 50% de las
mezclas de diesel 2 con biodiesel de girasol.
5. La concentración del dióxido de carbono en los gases
de la combustión disminuye drásticamente en
comparación al diese 2 solo, logrando disminuir el
impacto ambiental en el aire atmosférico.
PIC Programa de Iniciación Científica
Flama inestable
AlgunosInt
ensidad
de la flama
Flama optima
Medición de la longitud de la flama
Pulverización de la mezcla