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