Combustibles y Combustión - fluidos.etsii.upm.esfluidos.etsii.upm.es/faculty/Jaime_Carpio/Docencia/Introduccion... · 1 Prof: Jaime Carpio Huertas [email protected] Combustibles

1Prof: Jaime Carpio Huertas [email protected]

Combustibles y CombustiónMaster de la Ingeniería de la Energía

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRIDESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES

Introducción a la combustión: (3 h)

Leyes de conservación y formulación matemáticaBibliografía:

� Theoretical and Numerical Combustion. Thierry Poinsot y Denis Veynante.

http://elearning.cerfacs.fr/combustion

� Teoría de la Combustión. Consuelo Sánchez Naranjo. UNED

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Definiciones

Combustión: Reacción química entre el oxígeno y unmaterial oxidable, acompañada de desprendimiento decalor y que habitualmente se manifiesta porincandescencia o llama.

R.A.E. (2004)

Llama: Masa gaseosa en combustión, que se eleva de loscuerpos que arden y despide luz de varios colores.

Calor: Energía que pasa de un cuerpo a otro y es causade que se equilibren sus temperaturas.

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Definiciones

Combustible: Energía química contenida en los enlaces desus moléculas que será liberada.

Oxidante (O2): Elemento fundamental en la oxidación yrotura de enlaces del combustible, para dar CO2, H2O yotras especies (NOx, CO, SOx).

Calor: La energía química liberada se manifiesta en formade calor. Es fundamental para el mantenimiento de lacombustión (alta energía de activación).

Para que una reacción de combustión se mantenga,son necesarios tres factores.

Las estrategias para la extinción del fuego para por laeliminación de alguno de estos tres factores.

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• La reacción de combustión no se produce en todos ycada uno de los puntos del sistemas simultáneamente yde la misma forma. Existe una zona reactiva.

• La zona reactiva (donde se sitúa la llama) se producedonde hay reactivos y es muy sensible a latemperatura.

( )2

3

0/ exp .

n m a

i F O

Emol m s BC C

R Tω

= −

Definiciones

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• Llamas de premezcla:- Combustible y oxidante están mezclados antes de la combustión.

- Existe un frente reactivo que se desplaza cF(m/s)

- Existen dos tipos de frentes:

- Deflagraciones (cF=0.5 m/s)

- Detonaciones (llama + onda de choque) (cF=2500m/s)

• Llamas de difusión:- Combustible y oxidante se mezclan durante la combustión.

- No hay frente reactivo y por tanto no existe velocidad de llama.

- Los reactantes llegan en direcciones opuestas.

• Hay situaciones intermedias entre las dos anteriores.

Definiciones

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Esquema de llama de premezcla

• Llama propagándose en un tubo:

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Esquema de llama de premezcla

• Llama hacia una región fresca

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Esquema de llama de premezcla

• Llama propagándose en un tubo con pérdida de calor

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Esquema de llama de premezcla

• Mechero Bunsen:

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Esquema de llama de premezcla

• Motores de gasolina:

En los motores de combustión interna alternativos de gasolina

se produce este tipo de combustión, el frente de llama es

esférico y avanza hacia la zona de mezcla fresca (sin

reaccionar) dejando detrás los productos de la combustión.

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Esquema de llama de difusión

En una llama de difusión, la combustiontiene luegar en una zona muy delgada,donde el combustible se encuentra con eloxigeno en la proporción estequiométrica.

En el interior de la llama solamente existecombustible inquemado, mientras que en elexterior solamente existe el aire.

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Esquema de llama de difusión

• Velas

• Cerillas

• Estufas

• Hornos

• Calderas

• Motores Diesel

• Calderas de fuel-oil

• Combustión de madera

• Combustión de carbón

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Llamas de difusión sometidas a la gravedad

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Esquema de llama de difusiónTurbulentas

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Situaciones intermedias: Llamas levitadas

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Situaciones intermedias: Llama triple

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Situaciones intermedias: Llama triple

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Situaciones intermedias: Llama triple

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Situaciones intermedias: Mechero Bunsen con mezcla rica

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A la izquierda (1) una corriente rica encombustible sin premezclar con oxigenoproduce una llama amarilla de difusión(fruto del hollín).A la derecha (4) una corriente pobrepremezclada produce una llama azul (sinhollín).

Diferentes tipos de llamasde un mechero Bunsendependiendo del oxigenosuministrado.

Situaciones intermedias

Llama de difusión azulen microgravedad dondeno se produce hollín.

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Ejercicios

Mezclas multicomponentes� Los procesos de combustión implican la mezcla de muchos gases

diferentes.

� Para cuantificar la cantidad de una especie en la mezcla se define:

� Fracción másica de k:

� Fracción molar de k:

� Concentración de k:

� Relaciones entre ellas

� Masa molecular media

Ecuación de estado� Los procesos de combustión tienen lugar en fase

gaseosa. Suponemos se comportan como gases ideales

� Mezcla de gases ideales: Ley de Dalton (La presión total es igual a

la suma de las presiones parciales):

� Ecuación de estado:

Estequiometría y dosado� La combustión completa de un hidrocarburo CxHy

nos da la relación estequiométrica

(Aunque generalmente la reacción no es casi nunca completa por loque en los productos también se observa CO, H2, cenizas, NOx,…)

� Dosado:

� Dosado estequiomético:

con

� Dosado relativo

Ejercicio: Estequiometría y dosado

� En una reacción química entre metano CH4 y aire en

condiciones estequiométricas calcular las fracción

másica y molar de metano.

Ejercicio: Estequiometría y dosado

� Una mezcla de H2 y O2 puro tiene un dosado relativo

Φ=0.8. Calcular la fracción másica YH2 y fracción molar

XH2 de hidrogeno.

Ejercicio: Estequiometría y dosado

�

Ecuación calórica de estado� La entalpía h depende de la composición de la

mezcla

� La dependencia de la entalpía de la especie i con la temperatura

viene dada por:

� : Entalpía de formación. Se relaciona con la energíaquímica almacenada en los enlaces químicos de la molécula. Se

consideran cero para las sustancias en su estado natural.

� : Es entalpía sensible. Asociada al aumento de

temperatura de la especie respecto a la referencia.

Ecuación calórica de estado

Ecuación calórica de estado

Ecuación calórica de estado

Ecuación calórica de estado

Ejercicio: Ec calórica de estado

� En una reacción estequiométrica entre H2 y aire calcular

la entalpia de los productos a temperatura 2500K.

Expresarla en (J/mol) y (kJ/kg)

Ecuaciones de conservación� Las incógnitas en un problema de combustión

� : 3 componentes.

para definir el campo de velocidades del fluido.

� : k=1,2,…,M-1, ya que

para definir la composición de una mezcla de M componentes.

� 2 variables de estado. Que suelen ser presión y temperatura.

Luego tenemos 5+(N-1) variables y por lo tanto necesitamos

5+(N-1) ecuaciones de conservación en derivadas parciales.

Ecuaciones de conservación� Ecuación de conservación de masa

� Ecuación de conservación de las facciones másicas de

las especies químicas.

� Ecuación de conservación de la cantidad de movimiento

� Ecuación de conservación de la energía

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Procedimiento general:

Tma de transporte de

Reynolds aplicado a Vf.

Tma de la divergencia oteorema de Gauss.

Ecuaciones de conservación

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Ec. conservación de masa o continuidad:

Ec. conserv. masa

1ª forma de la ec.continuidad.

2ª forma de la ec.continuidad.

Teniendo en cuenta esta propiedad

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Ec. conservación de las fracciones másicas para

cada una de las especies de la mezcla reactiva:

Ec. conserv. masa de las especies

Siendo:

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Ec. conserv. cantidad de movimiento

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Ec. conservación energía I� Ecuación de conservación de la energía total

� Ecuación de conservación de la energía interna

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Ec. conservación energía II� Ecuación de conservación de la energía interna

Se obtiene restando las dos ecuaciones anteriores

Teniendo en cuenta estas relaciones:

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Ec. conservación energía III� Ecuación de conservación de la entalpía

Se obtiene de la anterior teniendo en cuenta esta relación entre

energía interna y entalpía

Teniendo en cuenta estas relaciones:

Por lo que:

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Ec. conservación energía IV

� Ecuación de conservación de la entalpía sensible

Ahora vamos a considerar que la entalpía se puede dividir en dos

contribuciones: Entalpía sensible y entalpía de formación

El calor de conducción se puede modelar como (Ley de Fourier

generalizada):

con estas consideraciones y combinando la ec. de la entalpía con las ec. de

las especies tenemos:

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Ec. conservación energía V

� Ecuación de conservación de la temperatura

Escribimos la entalpía sensible en función de la temperatura

Sustituyendo en la ecuación de conservación de la entalpía sensible

y operando: