Combustión Ciclos Térmicos
Combustión
Ciclos Térmicos
Combustión
Combustible
Es cualquier material que puede quemarse para liberar energía.
Los combustibles que se componen principalmente de hidrógeno y carbono reciben el nombre de hidrocarburos.
Combustión
Combustión
Corresponde a una reacción química durante la cual se oxida un combustible y se libera gran cantidad de energía.
Combustión
Conceptos químicos
• Reactivos: los componentes que existen antes de la combustión
• Productos: los componentes que existen después de la combustión.
• Principio de la conservación de la masa: la masa total de cada elemento se conserva durante una reacción química.
• El número total de moles no se conserva durante una reacción química.
Combustión
Aire seco
El aire seco esta compuesto por 20,9 por ciento de oxígeno, 78,1 por ciento de hidrogeno, 0,9 por ciento de argón y pequeñas cantidades de dióxido de carbono, helio, neón e hidrógeno.
El aire seco puede considerarse como 21 por ciento de oxigeno y 79 por ciento de nitrógeno.
Combustión
Aire
Combustión
Relación aire-combustible
Combustión
Combustión completa
Se presenta cuando todo el carbono en el combustible se transforma en CO2, todo el hidrógeno se transforma en H2O y todo el azufre (si lo hay) se transforma en SO2.
En caso contrario se presenta un proceso de combustión incompleto donde se produce algo de C, H2, CO, o bien, OH.
Combustión
Aire estequiométrico o teórico
Es la cantidad mínima de aire necesaria para la combustión completa de un combustible.
El aire teórico también se conoce como cantidad de aire químicamente correcta o aire 100 por ciento teórico.
Combustión estequiométrica o teórica
Combustión
Exceso de aire
Es la cantidad de aire en exceso de la cantidad estequiométrica necesaria.
Se emplea aire adicional con el fin de aumentar las oportunidades de combustión completa o para controlar la temperatura de la cámara de combustión
Exceso de aire porcentual
Es la cantidad de exceso de
aire expresado en porcentaje.
Para relacionar el porcentaje de
aire teórico y el porcentaje de
aire en exceso, se tiene:
% de aire teórico = 100% + %
de aire en exceso
Ejercicio 9-4
Se quema propano (C3H8) con aire estequiométrico, y los productos se enfrían a 20°C, suponiendo combusción completa a 100 kPa. Calcule la relación aire-combustible, el porcentaje de CO2 por peso de los productos, la temperatura del punto de rocío de los productos, y el porcentaje de vapor de agua condensado.
Rta: 15,7, 18,1%, 54,6°C, 87,0%
Ejercicio 9-14
Propano (C3H8) experimenta combustión completa a 90 kPa y 20°C con 130% de aire teórico.
Calcule la relación aire–combustible y la temperatura del punto de rocío si la humedad relativa del aire de combustión es:
a) 90%, Rta: 20,7, 50,5°C
b) 40%.
Analizador de gas Orsat
Dispositivo empleado para analizar la composición de los gases de combustión.
Permite determinar el bióxido de carbono, el oxígeno y el monóxido de carbono.
Ejercicio 9-24
Un análisis volumétrico de los productos de combustión de octano (C8H18) en base seca da 9.1% de C02, 7.0% de O2, 83.4% de N2 y 0.9% de CO.
Calcule la relación de aire–combustible.
Rta: 21,46
Ejercicio 9-22
Un combustible hidrocarburo desconocido se quema con aire seco; los productos resultantes tienen el siguiente análisis volumétrico seco: 12% de CO2, 1.5% CO, 3% de O2 y 83.5% de N2. Calcule el porcentaje de exceso de aire.
Rta: 11,3%
Combustión
La combustión de carbono es una reacción exotérmica (una reacción durante la cual la energía química se libera en la forma de calor),
El valor de la entalpia en una reacción se lista en relación a un estado de referencia estándar, el cual ha sido elegido como la condición de 25°C (77°F) y 1 atm.
El valor de la propiedad en el estado de referencia estándar se indica mediante un superíndice (°).
Entalpia de reacción/combustión
Puede considerarse como la entalpía de una sustancia en un estado especificado debido a su composición química,
Representa la energía química de un elemento o un compuesto en algún estado de referencia. (ver tabla A-26)
Poder Calorífico
Ejercicio 9-30
• Un gas propano (C3H8) experimenta combustión completa con aire estequiométrico; ambos están a 77°F y 1 atm. Calcule la transferencia de calor si los productos de una cámara de combustión a flujo estacionario están a a) 77°F, b) 1540°F y c) 2540°F.
b) -572500 Btu/lbmol
Ejemplo 9-38
• Un volumen rígido contiene 0.2 ibm de gas propano y 0.8 ibm de oxígeno a 77°F y 30 psia. El propano se quema por completo, y la temperatura final, después de un tiempo, se observa que es 1600°R. Calcule la presión final y la transferencia de calor.
103,1 psia, -3730 Btu
Temperatura adiabática de flama
• Si consideramos un proceso de
combustión que tiene lugar en
forma adiabática, sin trabajo ni
cambios en energía cinética y
potencial, entonces la temperatura
de los productos se conoce
como temperatura adiabática de
flama.
• La máxima temperatura
adiabática de flama que se puede
alcanzar ocurre a aire teórico.
• Esto nos permite controlar la
temperatura adiabática de flama
por la cantidad de exceso de aire
que interviene en el proceso:
Cuando la cantidad de exceso de
aire es mayor, menor es la
temperatura adiabática de flama.
• Se hace necesario un
procedimiento iterativo (prueba y
error) para hallar la temperatura
adiabatica de flama. Una rápida
aproximación a la temperatura
adiabática de flama se encuentra
suponiendo que los productos son
completamente N2.
Temperatura adiabática de flama
• La temperatura adiabática de flama se calcula suponiendo combustión completa, sin transferencia de calor desde la cámara de combustión y sin disociación de los productos en otras especies químicas.
• De esta manera, la temperatura adiabática de flama que se calcula representa la máxima temperatura posible de flama para el porcentaje especificado de aire teórico.
Ejemplo
Se quema propano con aire teórico; ambos están a 25°C y
1 atm en una cámara de combustión a flujo estacionario.
Pronostique la temperatura adiabática de flama.
T = 2394 K
Ejemplo
Se quema propano con 250% de aire teórico; ambos están
a 25°C y 1 atm, Pronostique la temperatura adiabática de
flama en la cámara de combustión a flujo estacionario.
T = 1296 K