Date post: | 20-Apr-2015 |
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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, RubénOLIVERA MACEDO, Lorena LuzSIVIPAUCAR 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.
Cocina no convencional
Mezclas de diesel 2 con biodiesel Pulverizadores 1, 2, 3, 4 y agujas respectivas
Fotografías de los equipos e instrumentos para los ensayos experimentales
Termómetro digital
Manómetro
Adaptación de la cocina no convencional para los ensayos experimentales
Instrumentos empleados
C x H y + b O 2 + c N 2 d CO2 + e H2O + f N 2
Tipos de Combustión 11.Combustión ideal
Denominada también combustión teórica.
11.1 Combustión ideal con airePara la combustión ideal con aire consideraremos que:
se oxida se oxida H2 H2O C CO2
se oxida se oxida S SO2 SO 2 + H2O ácido sulfúrico
Para la combustión de un hidrocarburo de la forma C x H y, la ecuación de la reacción es de la forma:
Cx Hy + B (O2 + 3.76 N2 ) dCO2 +e H2O + f N2 + gO2
1.2 Combustión ideal con exceso de airePPara 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.
º
22. Combustión real22.1 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 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%)
Biodiesel Diesel 2
de soya0125.0
32
4.0
3.62
6.12
25.712
87
2
2
O
H
C
3443.032
11
62
12
417.612
77
2
2
O
H
C
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
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) d CO2 + e H2O + f N2 + gO2
Balanceo: d ( CO 2) = 7
e (H2O) = 6.21
2 g (O2) = 19.9863 – 2.5 B
f (N2) = 46.9677
Metodología
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
Masa de aire real
100
)28*76.332(5.1)
/(
Br
caL
45.20100
)28*76.332(931.9*5.1)( 7
rL ca 45.20
100
)28*76.332(931.9*5.1)( 7
rL ca 45.20
100
)28*76.332(931.9*5.1)( 7
rL ca 45.20
100
)28*76.332(931.9*5.1)( 7
rL ca 45.20
100
)28*76.332(931.9*5.1)( 7
rL ca 06.2
100
)28*76.332(*5.1)( /
rL ca
100
)28*76.332()( 7
BtL ca
Masa de aire teórico
100
)28*76.332()( 7
BtL ca
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
% C0 2 H/C Nº WOOBE
% Biodiesel
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
Resultados de % CO 2 , relación H/C , Nº WOOBE
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 1 y 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
Dióxido de carbono disminuye en la combustión de la mezcla diesel 2 y biodiesel de algodón en comparación con las otras mezclas.
Porcentaje CO2 emitido en la combustión con un 50% de aire en exceso respecto al porcentaje de biodiesel presente en la mezcla
El incremento del porcentaje de biodiesel en la mezcla, permite incrementar la densidad energética, determinada a través de la relación H/C.
DENSIDAD ENERGÉTICA DE UN COMBUSTIBLE H / C
0.13
0.15
0.17
0.19
0.21
0.23
B10 B20 B30 B40 B50
% MEZCLA
H /
C
SOY A
GIRASOL
ALGODÓN
Explicar abajo los cuadros
ENERGIA DISPO NIBLE EN LA CO MBUSTIO N (Nº WO BBE)
1435.00
1455.50
1476.00
1496.50
1517.00
1537.50
1558.00
1578.50
B10 B20 B30 B40 B50
% MEZCLASOYA
GIRASOL
ALGODÓN
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.
1. Temperatura de la flama D2 + BIODIESEL DE SOYA D 2 + B
SOYA
24 PSI 32 PSI
PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2 PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2
% mezcla T coronaT
mediaT núcleo
T corona
T mediaT
núcleoT corona T media T núcleo T corona T media T núcleo
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
D 2 + B SOYA
24 PSI 32 PSI
PULVERIZADOR 4 PULVERIZADOR 4
% mezclaT
coronaT
mediaT
núcleoT
coronaT
mediaT
núcleo
20 616 816 959 625 830 990
30 700 885 968 831 935 1013
50 670 850 925 740 870 952
Temperaturas de la flama para el cálculo del calor
2. Temperatura de la flama D2 + BIODIESEL DE GIRASOL
D2 + B GIRASOL
24 PSI 32 PSI
PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2 PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2
% mezcla T
coronaT
mediaT
núcleoT
coronaT
mediaT
núcleoT
coronaT
mediaT
núcleoT
coronaT
mediaT
núcleo
20705 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
D2 + B GIRASOL
24 PSI 32 PSI
PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2 PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2
% mezcla T
coronaT
mediaT
nucleoT
coronaT
mediaT
nucleoT
coronaT
mediaT
nucleoT
coronaT
mediaT
nucleo
20672 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
3. Temperatura de la flama D2 + BIODIESEL DE ALGODON
D2 + B ALGODÓN
24 PSI 32 PSI
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
20 593 845 907 625 895 975 701 894 995 695 880 935
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
D2 + B ALGODÓN
24 PSI 32 PSI
PULVERIZADOR 1 PULVERIZADOR 2PULVERIZADOR 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
121 radconvconvoaprovechad QQQQ
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
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:
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
32 radiaciónradiaciónperdido QQQ
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 Perdido
El mejor aprovechamiento del calor desprendido, se produce durante la combustión de las mezclas de soya B20, girasol B20 y algodón B30.
La eficiencia en la Combustión de la mezcla de Diesel 2
con Biodiesel de Soya, Girasol y Algodón, se determina
empleando la fórmula siguiente:
100
perdidocaloroaprovechadCalor
oaprovechadCalor
Eficiencia de la Combustión
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
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
AlgunosIntensidad de la flama
Flama inestable
Flama optima Pulverización de la mezcla
Medición de la longitud de la flama