UAMI12091-Tesis Combustión TG

UNIVERSIDAD AUTNOMA METROPOLITANAUNIVERSIDAD AUTNOMA METROPOLITANAUNIVERSIDAD AUTNOMA METROPOLITANAUNIVERSIDAD AUTNOMA METROPOLITANA UNIDAD IZTAPALAPAUNIDAD IZTAPALAPAUNIDAD IZTAPALAPAUNIDAD IZTAPALAPA

DIVISIN DE CIENCIAS BSICAS E INGENIERADIVISIN DE CIENCIAS BSICAS E INGENIERADIVISIN DE CIENCIAS BSICAS E INGENIERADIVISIN DE CIENCIAS BSICAS E INGENIERA

LICENCIATURA ENLICENCIATURA ENLICENCIATURA ENLICENCIATURA EN INGENIERA EN ENERGAINGENIERA EN ENERGAINGENIERA EN ENERGAINGENIERA EN ENERGA

SEMINARIO DE PROYECTOS I y IISEMINARIO DE PROYECTOS I y IISEMINARIO DE PROYECTOS I y IISEMINARIO DE PROYECTOS I y II

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS

Dr. Hernando Romero PareDr. Hernando Romero PareDr. Hernando Romero PareDr. Hernando Romero Paredes Rubiodes Rubiodes Rubiodes Rubio Coordinador de la Licenciatura en Ingeniera en EnergaCoordinador de la Licenciatura en Ingeniera en EnergaCoordinador de la Licenciatura en Ingeniera en EnergaCoordinador de la Licenciatura en Ingeniera en Energa

Apolonio De los Santos Alvarado Apolonio De los Santos Alvarado Apolonio De los Santos Alvarado Apolonio De los Santos Alvarado Dr. Ral Lugo LeyteDr. Ral Lugo LeyteDr. Ral Lugo LeyteDr. Ral Lugo Leyte AlumnoAlumnoAlumnoAlumno AsesorAsesorAsesorAsesor

Diciembre del 2003Diciembre del 2003Diciembre del 2003Diciembre del 2003

DEDICATORIADEDICATORIADEDICATORIADEDICATORIA A mis PadresA mis PadresA mis PadresA mis Padres Mam, gracias, por todas las atenciones que, me brindaste durante todo el tiempo que pase en casa estudiando y, a ti Pap, aunque ya no ests conmigo, quiero decirte que, tu fuiste el principal motivo para la realizacin de este trabajo. A mis hermanos Lorenzo, Daniel y ManuelA mis hermanos Lorenzo, Daniel y ManuelA mis hermanos Lorenzo, Daniel y ManuelA mis hermanos Lorenzo, Daniel y Manuel Les doy gracias por el apoyo moral, econmico y por esas palabras de aliento que me ofrecieron en tiempos difciles de mi carrera profesional. Agradezco a mis dems hermanos, Adrin, Pedro, Ma. Dolores, Ma. Eleazar y Celestina por la motivacin y nimo que me brindaron para terminar mis estudios de Ingeniera. Y a todas aquellas personas que de alguna manera contribuyeron en mi desarrollo profesional. Tambin doy gracias a DIOS por darme la fuerza, voluntad y cuidarme todo el tiempo.

NDICE

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS IIII

NDICENDICENDICENDICE

Pgina CAPTULO ICAPTULO ICAPTULO ICAPTULO I Proceso de combustinProceso de combustinProceso de combustinProceso de combustin 1 1.1 Introduccin 1 1.2 Composicin del aire 1 1.3 Composicin del combustible 2 1.3.1 Tipos de combustibles 2 1.4 Tipos de combustin 4 1.5 Conceptos fundamentales de la combustin 5 1.5.1 Entalpa de formacin 5 1.5.2 Entalpa de reaccin 7 1.5.3 Entalpa de combustin 7 1.5.4 Poder calorfico inferior y poder calorfico superior 8 1.6 Combustin estequiomtrica 10 1.7 Temperatura de ignicin 12 1.8 Temperatura de flama adiabtica 13 1.9 Relacin de equivalencia 18 1.10 Mezcla pobre en combustible 18 1.11 Mezcla rica en combustible 25 1.12 Eficiencia de la combustin 34 1.13 Conclusiones 36 CAPTULO IICAPTULO IICAPTULO IICAPTULO II Cmaras de combustin de lasCmaras de combustin de lasCmaras de combustin de lasCmaras de combustin de las turbinas de gas turbinas de gas turbinas de gas turbinas de gas 37 2.1 Introduccin 37 2.2 Zonas de combustin 37 2.2.1 Zona difusora 38 2.2.2 Zona de combustin 38 2.2.3 Zona de mezcla 38 2.3 Cmaras de combustin 38 2.3.1 Cmara de combustin tubular 39 2.3.2 Cmara de combustin tipo camisa 40 2.3.3 Cmara de combustin anular 41 2.3.4 Cmara de combustin mltiple tubular 44 2.3.5 Cmara de combustin de silo 45 2.4 Conclusiones 46

NDICE

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS IIIIIIII

Pgina CAPTULO IIICAPTULO IIICAPTULO IIICAPTULO III Anlisis de la turbina de gas mediante los parmetrosAnlisis de la turbina de gas mediante los parmetrosAnlisis de la turbina de gas mediante los parmetrosAnlisis de la turbina de gas mediante los parmetros que intervienen en su combustinque intervienen en su combustinque intervienen en su combustinque intervienen en su combustin 47 3.1 Introduccin 47 3.2 Anlisis del ciclo Joule simple abierto 47 3.3 Trabajo del compresor 50 3.4 Trabajo de la turbina 50 3.5 Trabajo motor 51 3.6 Calor suministrado 51 3.7 Eficiencia trmica del ciclo Joule simple abierto 52 3.8 Potencia generada por la turbina de gas 54 3.9 Consumo trmico unitario 58 3.10 Conclusiones 59 CAPTULO IV.CAPTULO IV.CAPTULO IV.CAPTULO IV. Generacin de NO Generacin de NO Generacin de NO Generacin de NOxxxx y CO y CO y CO y CO 60 4.1 Introduccin 60 4.2 xidos de nitrgeno 60 4.3 Monxido de carbono 65 4.4 Conclusiones 68 Conclusiones 69 Referencias 70 Anexo 72

NDICE

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS IIIIIIIIIIII

ndice de Figurasndice de Figurasndice de Figurasndice de Figuras Figura 1.1 Entalpa de formacin del dixido de carbono 6 Figura 1.2 Poder calorfico inferior en funcin de la masa molecular del combustible 9 Figura 1.3 Turbina de gas 13 Figura 1.4 Relacin aire-combustible de la reaccin de combustin del metano 17 Figura 1.5 Exceso de aire requerido para que los gases de combustin alcancen una determinada temperatura a la entrada de la turbina de gas 20 Figura 1.6 Diagrama de la temperatura de flama adiabtica y la relacin aire-combustible contra la relacin de equivalencia para el gas natural 29 Figura 1.7 Poder calorfico disponible en funcin la relacin aire-combustible real para una mezcla pobre de gas natural 30 Figura 1.8 Temperatura de flama adiabtica respecto a la relacin de equivalencia, para el gas natural a diferentes temperaturas del aire a la entrada de la cmara de combustin 31 Figura 1.9 Temperatura de flama adiabtica contra la relacin aire-combustible molar para el gas natural a diferentes temperaturas del aire a la entrada de la cmara de combustin 32 Figura 1.10 Temperatura de flama adiabtica de algunos combustibles 33 Figura 1.11 Poder calorfico disponible en funcin de la relacin aire-combustible para diferentes combustibles 33 Figura 1.12 Balance de energa en la cmara de combustin 34 Figura 1.13 Eficiencia de combustin para una combustin estequiomtrica del gas natural 35 Figura 2.1 Zonas de combustin 38 Figura 2.2 Cmara de combustin tubular 39

NDICE

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS IVIVIVIV

Figura 2.3 Vrtice toroidal a la pulverizacin de combustible 40 Figura 2.4 Cmara de combustin tipo camisa 41 Figura 2.5 Cmara de combustin anular 42 Figura 2.6 Cmara tipo anular de flujo directo 43 Figura 2.7 Cmara tipo anular de flujo reverso 44 Figura 2.8 Cmara de combustin mltiple tubular 44 Figura 2.9 Cmara de combustin de silo 45 Figura 3.1 Ciclo Joule simple abierto 48 Figura 3.2 Eficiencia trmica en funcin del trabajo motor a diferentes relacin de presiones y diferentes temperaturas de los gases de combustin a la entrada de la turbina de gas. 53 Figura 3.3 Flujo de aire respecto a la relacin de presiones 55 Figura 3.4 Flujo de combustible contra la relacin de presiones 56 Figura 3.5 Trabajo motor con relacin al flujo de combustible 56 Figura 3.6 Eficiencia trmica en funcin del flujo de aire 58 Figura 3.7 Consumo trmico unitario respecto al flujo de aire 59 Figura 4.1 Concentracin de NOx contra la relacin de presiones 63 Figura 4.2 Concentracin de NOx en funcin de la relacin combustible-aire 64 Figura 4.3 Concentracin de NOx con respecto al tiempo de residencia para diferentes combustibles gaseosos 65 Figura 4.4 Concentracin de CO contra la relacin de equivalencia 66 Figura 4.5 Concentracin de CO en relacin a la temperatura de flama adiabtica del gas natural 67

NDICE

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS VVVV

Figura 4.6 Emisiones de CO para diferentes combustibles en relacin a la 68 temperatura del aire a la entrada de la cmara de combustin ndice de Tablasndice de Tablasndice de Tablasndice de Tablas Tabla 1.1 Composicin del aire atmosfrico 1 Tabla 1.2 Composicin volumtrica del gas natural 4 Tabla 1.3 Entalpa de formacin de algunos compuestos 7 Tabla 1.4 Poder calorfico de algunos combustibles 8 Tabla 1.5 Temperatura de ignicin de algunos combustibles 12 Tabla 1.6 Coeficientes y entalpa de formacin de algunos combustibles 15 Tabla 1.7 Iteracin para obtener la temperatura de flama adiabtica 23 Tabla 1.8 Iteracin para obtener la temperatura de los gases de combustin 25 debido al exceso de aire Tabla 1.9 Iteracin para obtener la temperatura de los gases de combustin 28 Tabla 3.1 Trabajo motor y eficiencia trmica mximos a diferente relacin 53 de presiones Tabla 3.2 Valor mximo y mnimo del flujo de combustible y trabajo motor 57 para cada temperatura de los gases de combustin Tabla 3.3 Valor mximo y mnimo del flujo de aire y la eficiencia trmica 57 para cada temperatura de los gases de combustin Tabla 4.1 Caractersticas de la turbina de gas 63

NOMENCLATURA

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS VIVIVIVI

NOMENCLATURANOMENCLATURANOMENCLATURANOMENCLATURA CTU consumo trmico unitario; [kJ/kW h], Cp capacidad trmica especfica molar a presin cte; [kJ/kgmol K], Cp capacidad trmica especfica a presin cte; [kJ/kg K], Cv capacidad trmica especfica a volumen cte; [kJ/kg K], f fraccin molar de combustibles; [-],

,c Th entalpa de combustin a cierta temperatura; [kJ/kgmolc],

fh entalpa de formacin; [kJ/kgmol],

fgh entalpa de vaporizacin; [kJ/kg],

ih entalpa de un producto o reactivo; [kJ/kgmol],

ih entalpa por unidad de masa del componente i ; [kJ/kg],

,R Th entalpa de reaccin a cierta temperatura; [kJ/kgmol],

k relacin de capacidades trmicas, CpCv

[-],

M masa molar de un compuesto o elemento; [kg/kgmol], m masa; [kg], N nmero de moles; [kgmol], &m flujo msico; [kg /s],

in& flujo molar del componente i ; [kgmol/s], ni relacin del flujo molar del componente i y del [-], combustible; P potencia generada en la turbina de gas; [kW], p presin; [bar atm], PCI poder calorfico inferior; [kJ/kgc], PCS poder calorfico superior; [kJ/kgc], PCD poder calorfico disponible; [kJ/kgc], q calor por unidad de masa molar; [kJ/kgmol],

Q& flujo de calor; [kW], qsum calor suministrado; [kJ/kg], rac relacin aire combustible; [kga/kgc], rca relacin combustible aire; [kgc/kga], RU constante universal de los gases = 8.314; [= 8.314 kJ/kgmolK], T temperatura; [K C], V volumen; [m3], Wm trabajo motor de la turbina de gas; [kJ/kg], Y fraccin molar de productos; [-],

NOMENCLATURA

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS VIIVIIVIIVII

Letras griegasLetras griegasLetras griegasLetras griegas relacin aire combustible molar; [kgmola/kgmolc], nmero de moles de nitrgeno en los gases de [kgmol], combustin; fraccin molar de reactivos; [-], relacin de equivalencia; [-], eficiencia; [-], exceso de aire; [-], relacin de presiones; [-], tiempo de residencia en la zona de combustin [s],

i coeficiente estequiomtrico del elemento i ; [-]. SubndicesSubndicesSubndicesSubndices a aire, fa flama adiabtica, c combustible, cc cmara de combustin, C carbono, comb combustin, comp compresin, compuesto CO2, H2O, CH4, etc, elementos estables O2, N2, etc, f formacin, gc gases de combustin, GN gas natural, i indica elemento compuesto, p productos, r reactivos, real combustin con exceso de aire, s estado final de un proceso isentrpico, SIC compresin isentrpica, SIT expansin de la turbina, stq combustin estequiomtrica, T temperatura del reactivo producto, Th trmica, Turb turbina, x nmero de carbonos presentes en el combustible, y nmero de hidrgenos presentes en el combustible, 1 estado inicial (sumidero),

NOMENCLATURA

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS VIIIVIIIVIIIVIII

2 estado a la entrada a la cmara de combustin, 3 estado a la entrada a la turbina de gas, 4 estado a la salida de la turbina de gas, 298 valor de la temperatura en el estado de referencia. SuperndicesSuperndicesSuperndicesSuperndices estado estndar: un gas ideal a una presin de 1 atm y una temperatura de 25C.

RESUMEN

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS IXIXIXIX

RESUMEN La cmara de combustin es el elemento esencial en la turbina de gas, es en donde se realiza la combustin del combustible con el aire, produciendo gases calientes a cierta temperatura para enviarlos a la turbina de gas y generar potencia. Debido a la gran importancia que tiene la cmara de combustin, en el presente trabajo, se analiza la combustin en la turbina de gas presentando un tratamiento numrico de la combustin del gas natural; en un principio, se comentan los tipos de combustibles, se desarrolla una metodologa para determinar la temperatura adiabtica de flama en funcin de la relacin de equivalencia y la fraccin mezcla, posteriormente se describen las reacciones de combustin para una mezcla pobre y rica en combustible, se mencionan las principales cmaras de combustin de las turbinas de gas, explicando su funcionamiento, se hace el anlisis de la turbina de gas basado en el ciclo Joule simple abierto, donde se estudian a los flujos de aire y de combustible, la eficiencia trmica, el trabajo motor y el calor suministrado. Una de las consecuencias de la combustin del gas natural es la produccin de xidos de nitrgeno y monxido de carbono; por esta razn se analiza la generacin de NOx y CO en la turbina de gas, utilizando correlaciones propuestas en la literatura.

ABSTRAC

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS XXXX

ABSTRACT The combustion chamber is the essential element in the gas turbine, it is where is carried out the combustion of the fuel with the air, producing hot gases to certain temperature to send them to the gas turbine and to generate power. Due to the great importance that has the combustion chamber, presently work, the combustion is analyzed in the gas turbine, presenting a numeric treatment of the combustion of the natural gas; in a principle, it is commented the types of fuels, a methodology is developed to determine the adiabatic temperature of flame in function of the equivalence relation and the fraction mixes, later on the combustion reactions are described for a poor and rich mixture in fuel, the main combustion chambers of the gas turbines are mentioned explaining its operation, the analysis of the gas turbine of is made based on the cycle open simple Joule where they are studied to the flows of air and of fuel, the thermal efficiency, the motor work and the given heat. One of the consequences of the combustion of the natural gas is the production of nitrogen oxides and monoxide of carbon; for this reason it is analyzed the generation of NOx and CO in the gas turbine, using correlations proposals in the literature.

OBJETIVO

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS XIXIXIXI

OBJETIVO Analizar el comportamiento de la turbina de gas a partir del proceso de combustin efectuado en la cmara de combustin, as como los tipos de cmaras de combustin y las emisiones de xidos de nitrgeno y monxido de carbono que se generan. Para el anlisis del NOx y CO, se busca, una correlacin y se hacen corridas y despus los resultados se interpretan grficamente de acuerdo a las condiciones de operacin de la turbina de gas.

JUSTIFICACIN

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS XIIXIIXIIXII

JUSTIFICACIN La importancia de la temperatura de entrada a la turbina de gas en la eficiencia trmica y en el trabajo motor de estas mquinas, justifica el permanente deseo de aumentarla; el desarrollo en la tecnologa de materiales ha permitido elevar la temperatura a la entrada de la turbina de gas. El desarrollo de modelos matemticos del ciclo Joule (ciclo termodinmico utilizado para explicar los procesos que se llevan a cabo en las turbinas de gas), son un apoyo para el anlisis de los parmetros importantes de la turbina de gas, por medio de tablas de datos grficas. Este anlisis, permite conocer el comportamiento de la turbina de gas bajo ciertas condiciones de operacin y, es una herramienta til para el avance tecnolgico de los equipos de generacin elctrica, lo que ha permitido contar con altas eficiencias, facilidad de operacin, menores costos, evitar su desgaste prematuro y lo que es de importancia vital hoy en da, menor impacto al medio ambiente por las emisiones de contaminantes.

ALCANCE

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS XIIIXIIIXIIIXIII

ALCANCE La combustin en la turbina de gas es de gran importancia para obtener elevadas temperaturas de entrada a la turbina de gas y producir energa elctrica, para estudiarla en el presente trabajo, es necesario desarrollar un programa de cmputo para la simulacin de la combustin del gas natural, (estequiomtrica, mezcla pobre y rica en combustible, excesos de aire, relacin aire-combustible, relacin de equivalencia, temperatura de flama adiabtica, poder calorfico inferior y las emisiones de xidos de nitrgeno y monxido de carbono) para diferentes temperaturas del aire, flujos de combustible y flujos de aire a la entrada de la cmara de combustin.

INTRODUCCIN

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS XIVXIVXIVXIV

INTRODUCCININTRODUCCININTRODUCCININTRODUCCIN Aunque el uso de los gases de combustin o vapor para mover una rueda data desde la antigedad, el precursor de la moderna turbina de gas puede ser patentada a John Barber 1791, qu utilizaba un compresor, una cmara de combustin para impulsar una turbina. Ms reciente en las cmaras de combustin ocurra la combustin intermitente en un espacio cerrado, la cul causaba un flujo de gases que se enviaba a travs de una tobera para impulsar a una turbina. No obstante la ineficiencia, estos diseos persistieron porque se desarrollaron maquinas de flujo continuo, despus fueron obsoletas por la falta de conocimiento en aerodinmica, por tener compresores muy ineficientes. La primer turbina que trabaj a presin constante en la cmara de combustin fue la de Aegidius Elling de Noruega [ref. 10]. l comenz a trabajar con la turbina de gas en 1882, 21 aos despus Elling logro producir 11 Hp de potencia neta con un compresor centrfugo de seis etapas y una turbina axial con una temperatura de entrada de 400C. En 1905 Frenchmen Charles Lemale y Ren Armengaud usaron un compresor centrfugo Brown Bovari de 25 etapas (corriendo a 4000 rpm, absorbiendo 25 Hp, dando una relacin de presiones 3/1), alta temperatura en la cmara de combustin y una turbina de dos etapas. La eficiencia trmica fue 3.5%. Por 1939 la eficiencia haba mejorado dramticamente, con un compresor de flujo axial y una turbina regenerativa diseada en Hungra daba una eficiencia del 21%. La primer turbina de gas de potencia til de General Electric fue instalada en los Estados Unidos en 1949. El uso de turbinas de gas aeroderivadas data desde 1930 y fue patentada por Frank Whittle en Inglaterra [ref. 10]. La energa es un elemento vital en la actividad industrial, una de las mquinas para generarla es la turbina de gas. La turbina de gas es una mquina diseada para extraer energa de un fluido que circula a travs de ella. Los campos de aplicacin ms importantes de las turbinas de gas industriales son, en la actualidad, el accionamiento mecnico de generadores elctricos, generacin, cogeneracin de energa elctrica y calor. Las turbinas de gas que actualmente ofertan los fabricantes de estas mquinas son casi exclusivamente de ciclo abierto, constituido bsicamente por los procesos de comprensin, combustin y expansin; la eficiencia de este ciclo vara entre el 30 % y el 43 %. Actualmente, utilizando turbinas de gas para ciclos combinados o bien para la repotenciacin de plantas trmicas, se alcanzan eficiencias trmicas de alrededor del 60 %; existen dos tipos: las turbinas diseadas originalmente como industriales, para servicio pesado y derivadas de las turbinas de gas de aviacin.

INTRODUCCIN

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS XVXVXVXV

La termodinmica es una rama de la fsica que estudia los fenmenos relacionados con la energa trmica y las leyes que rigen su transformacin en otro tipo de energa. La variacin de energa trmica en un medio durante un proceso de calentamiento o de enfriamiento se obtiene como el producto de la masa del medio, por su calor especfico y por el salto trmico. Pero no toda la energa trmica es utilizable. En el siglo pasado se enunci el primer principio de la termodinmica o principio de conservacin de la energa. Puede enunciarse as: La energa no se crea ni se destruye slo se transforma o bien que la energa puede transformarse de calor en trabajo o de trabajo en calor. El segundo principio, enunciado en 1851 por lord Kelvin, afirma que no es posible efectuar una transformacin cuyo nico resultado sea la conversin de calor en trabajo, cuando el calor es extrado de una sola fuente a temperatura uniforme. Este principio puede exponerse de diferentes formas. Pero la limitacin principal es que la transformacin slo puede ser posible si se toma energa de un foco caliente y parte de ella se devuelve a un foco fro. La diferencia entre la energa tomada y la devuelta es la energa trmica que se ha transformado en trabajo. Es decir, slo es aprovechable una parte de la energa tomada del foco caliente. De este modo se introduce un concepto conocido como la eficiencia trmica de un ciclo termodinmico, que es la relacin entre el trabajo obtenido (motor) y la energa trmica (calor suministrado) puesta en juego en el foco de mayor temperatura. La energa no aprovechada, que no ha podido ser transformada en trabajo, se libera en forma de calor, pero a una temperatura inferior a la real. Este segundo principio es la prueba de que en un ciclo termodinmico no es posible volver al estado inicial. Los procesos termodinmicos naturales son irreversibles. Para recuperar la energa trmica original a la temperatura original sera necesario aportar energa desde fuera del sistema. La combustin es en donde se realiza la oxidacin del combustible al entrar en contacto con el aire atmosfrico, produciendo una gran cantidad de calor; los procesos de combustin han recibido la atencin de una gran cantidad de investigadores en el mundo por las emisiones de contaminantes que se producen. El estudio de la combustin de hidrocarburos para analizar la produccin de contaminantes requiere esencialmente de estudios cinticos muy detallados, que tomen en cuenta especies qumicas, cuyas concentraciones se miden en partes por milln o menos. Se tiene como propsito, estudiar la produccin de xidos de nitrgeno y monxido de carbono en la combustin del gas natural, a partir de la correlacin propuesta para estos dos combustibles en la literatura.

PROCESO DE COMBUSTINPROCESO DE COMBUSTINPROCESO DE COMBUSTINPROCESO DE COMBUSTIN

COMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GASCOMBUSTIN EN LAS TURBINAS DE GAS 1111

CAPTULO I.CAPTULO I.CAPTULO I.CAPTULO I. PROCESO DE COMBUSTINPROCESO DE COMBUSTINPROCESO DE COMBUSTINPROCESO DE COMBUSTIN 1.11.11.11.1 IntroduccinIntroduccinIntroduccinIntroduccin En este captulo se muestra la composicin del aire y la composicin de la mezcla del gas natural, se definen los tipos de combustin, para que ms adelante se explique la mezcla pobre y rica en combustible, se nombran las caractersticas y usos de los combustibles que conforman la mezcla de un gas natural, y la de algunos combustibles utilizados en las turbinas de gas; tambin se definen los conceptos bsicos de la combustin, tales como la entalpa de formacin, la entalpa de reaccin. Cuando se quema un hidrocarburo con aire, a la entalpa de reaccin, se renombra como la entalpa de combustin, para definir el poder calorfico del combustible; se muestran las temperaturas de ignicin de algunos combustibles, se presenta el modelo matemtico para determinar la temperatura de flama adiabtica, as mismo se define la relacin aire-combustible, para posteriormente definir la relacin de equivalencia. 1.21.21.21.2 Composicin del aireComposicin del aireComposicin del aireComposicin del aire En una base molar o de volumen, el aire seco est compuesto por 20.946 % de oxgeno, 78.084 % de nitrgeno. Por consiguiente, cada mol de oxgeno que entra en una cmara de combustin ser acompaado por 3.76 mol de nitrgeno (ver Tabla 1.1).

Tabla 1.1Tabla 1.1Tabla 1.1Tabla 1.1. Composicin del aire atmosfrico

Elemento % Volumen f mol O2 20.946 0.20946 1 N2 78.084 0.78084 3.76

En general, el nitrgeno es un elemento estable, que no reacciona qumicamente con otras sustancias. Sin embargo, la presencia de nitrgeno influye de manera considerable en el resultado de un proceso de combustin, debido a que, el nitrgeno entra a la cmara de combustin en grandes cantidades y, a temperaturas bajas y, sale a temperaturas considerablemente altas, absorbiendo una gran proporcin de la energa qumica liberada durante la combustin [ref. 6].



1.31.31.31.3 Composicin del CombustibleComposicin del CombustibleComposicin del CombustibleComposicin del Combustible La mayora de los combustibles conocidos se componen principalmente de hidrgeno y carbono, y reciben el nombre de combustibles hidrocarburos y se denotan de la siguiente manera CxHy . El combustible es una sustancia que reacciona qumicamente con otra sustancia (oxgeno) para producir calor; los combustibles se utilizan para calentar, para proporcionar energa a los motores de combustin interna, en las plantas termoelctricas se usa para mover turbinas que generan energa elctrica y vapor, tambin se utiliza como fuente directa de energa en aviones y cohetes a propulsin. Los combustibles usados en las cmaras de combustin de las turbinas de gas pueden ser lquidos (Keroseno, Metanol, aceite combustible (fuel oil)) o gaseosos (gas natural); si el combustible es lquido se inyecta en forma de spray por medio de una tobera.

1.3.11.3.11.3.11.3.1 Tipos deTipos deTipos deTipos de combustibles combustibles combustibles combustibles Keroseno o Jet FuelKeroseno o Jet FuelKeroseno o Jet FuelKeroseno o Jet Fuel : : : : Es un lquido transparente, algo ms denso que la gasolina y menos inflamable, compuesto por hidrocarburos de diez a doce tomos de carbono, se utiliza como combustible destinado a las turbinas a gas usadas en aeronutica . FuelFuelFuelFuel----oil oil oil oil :::: Es un lquido espeso y oscuro que se utiliza para los hornos industriales y para calefaccin. Como su temperatura de inflamacin es elevada, es difcil mantener su combustin, por lo cual, es necesario calentarlo previamente y, con frecuencia puede resultar contaminante, debido al humo que desprende cuando las condiciones de su combustin no son las adecuadas. MetanoMetanoMetanoMetano :::: Constituyente principal del gas natural; es un combustible hidrocarburo porque est compuesto de carbono e hidrgeno, es ms ligero que el aire, incoloro, inodoro e inflamable. EtanoEtanoEtanoEtano : : : : es un hidrocarburo que a temperatura ambiente es un gas inflamable, componente del gas natural; se separa del metano y se craquea (dividir las molculas grandes del hidrocarburo en molculas mas pequeas) para producir eteno (C2H4). PropanoPropanoPropanoPropano : : : : combustible gaseoso que se encuentra en el crudo del petrleo, en el gas natural y como producto derivado del refinado del petrleo; reacciona a temperatura ambiente al mezclarlo con cloro y exponerlo a la luz, a temperaturas ms altas, arde en contacto con el aire, produciendo dixido de carbono y agua. Forma un hidrato slido a baja temperatura, lo que constituye un inconveniente cuando se produce una obstruccin en las tuberas de gas natural; tambin se suministra licuado, como combustible para motores, como refrigerante y como fuente de obtencin del propeno y etileno.



ButanoButanoButanoButano : : : : Est presente en el gas natural, en el petrleo y en los gases de las refineras; constituye el componente ms voltil de la gasolina; se transforma en butadieno, que se utiliza para fabricar caucho sinttico y pinturas de latx. Arde con facilidad al quemarse en el aire. Gas NaturalGas NaturalGas NaturalGas Natural : : : : Es una mezcla de hidrocarburos simples que existen en estado gaseoso, a condiciones ambientales normales de presin y temperatura. Se encuentra generalmente en depsitos subterrneos profundos formados por rocas porosas, o en domos de depsitos, naturales de petrleo crudo. Los yacimientos de petrleo casi siempre llevan asociados una cierta cantidad de gas natural, que sale a la superficie junto con l, cuando se perfora un pozo (gas asociado). Sin embargo, hay pozos que proporcionan solamente gas natural (gas no asociado). ste contiene elementos orgnicos importantes como materias primas para la industria petrolera y qumica. Antes de emplear el gas natural como combustible se extraen los hidrocarburos ms pesados, como el butano y el propano. El gas natural comercial es un combustible importante dentro de la industria del pas esencialmente se compone de un 95% ms de metano, contiene adems pequeas cantidades de etano, propano y otros hidrocarburos ms pesados; asimismo se encuentran presentes trazas de nitrgeno, bixido de carbono, cido sulfhdrico y agua.

PropPropPropPropiedades del gas naturaliedades del gas naturaliedades del gas naturaliedades del gas natural

Es ms ligero que el aire Combustin limpia Requiere ignicin para la combustin No tiene color ni olor No es absorbente No es corrosivo

Ventajas del gas naturalVentajas del gas naturalVentajas del gas naturalVentajas del gas natural

Reduce entre 65 y 90% las emisiones contaminantes de monxido de carbono (CO), bixido de carbono (CO2), partculas suspendidas totales (PST) e hidrocarburos reactivos (HCs) [ref. 5]

No contiene cido sulfhdrico (H2S), plomo ni benceno Tiene un precio competitivo, respecto al de otros combustibles Genera menor cantidad de NOx que el combustleo, por combustin Incrementa la eficiencia de los procesos de generacin y cogeneracin de energa No forma residuos de combustin, lo que prolonga la vida til de los equipos



Gracias a sus indiscutibles ventajas ecolgicas, durante las ltimas dcadas el uso del gas natural se ha extendido notablemente en la industria y la generacin de electricidad en Mxico. Mxico es uno de los pases con mayores reservas probadas de gas natural, las cuales se calculan en 30.4 billones de pies3 (equivalentes a 6,080 millones de barriles1 de petrleo crudo), que al ritmo de produccin actual son suficientes para satisfacer la demanda de gas natural del pas durante los prximos 30 aos (ref. 5). En este estudio de la combustin, en las turbinas de gas, se considera una mezcla de hidrocarburos como gas natural, por ser el combustible que se utiliza, actualmente en centrales elctricas de ciclo combinado, termoelctricas y en la industria mexicana, cuya composicin se muestra en la Tabla 1.2. Tabla 1.2. Composicin volumtrica del gas natural

ComponenteComponenteComponenteComponente ffff Metano (CH4) 0.8685 Etano (C2H6) 0.1268

Propano (C3H8) 0.0041 Butano (C4H10) 0.0006

Fuente: [ref. 18] 1.41.41.41.4 Tipos de CombustinTipos de CombustinTipos de CombustinTipos de Combustin

La combustin es una reaccin qumica en la cual se oxida un combustible y se libera una gran cantidad de energa. Con el control de la reaccin se trata de lograr el mximo aprovechamiento del calor desprendido del combustible. El oxidante empleado con mayor frecuencia en los procesos de combustin es el aire atmosfrico.

Combustin estequiomtrica. La combustin estequiomtrica es una reaccin ideal a partir de un hidrocarburo o una mezcla de hidrocarburos, en la que, los nicos productos son N2, CO2 y H2O.

El porcentaje de CO2 es mximo. Combustin incompleta. Se produce cuando se suministra aire en cantidad insuficiente.

El porcentaje de CO2 disminuye, respecto a la combustin estequiomtrica, pero es mayor en relacin a la combustin con exceso de aire.

La eficiencia de combustin es inferior a la eficiencia de la combustin estequiomtrica por efecto de la cantidad de aire suministrada.

Aparece CO en los productos de combustin.

1 1 barril de petrleo crudo es igual a 158.9873 litros.



Combustin con exceso de aire. Se produce cuando se aporta mayor cantidad de aire que en la combustin estequiomtrica, para que todo el carbono y el hidrgeno del combustible se conviertan en CO2, H2O, N2 y O2.

El porcentaje de CO2 disminuye al ser diluido en un mayor flujo de aire. La eficiencia de combustin es inferior a la eficiencia de la combustin

estequiomtrica, por el calentamiento del exceso de aire hasta la temperatura de los gases de combustin.

1.51.51.51.5 ConcepConcepConcepConceptos fundamentales de la combustintos fundamentales de la combustintos fundamentales de la combustintos fundamentales de la combustin 1.5.11.5.11.5.11.5.1 Entalpa de FormacinEntalpa de FormacinEntalpa de FormacinEntalpa de Formacin La entalpa de formacin es la variacin de entalpa, en la formacin de un compuesto a partir de sus elementos estables a una temperatura y a una presin estndar de referencia (25C, 1 atm). Esta variacin de entalpa es igual al calor liberado o absorbido durante el proceso de formacin. En base molar, el proceso de formacin se representa, de la siguiente manera: fh = compuestoh - ( )i i elementos estables

i

h (1.1)

En el estado de referencia (25C, 1 atm), se asigna el valor de cero a la entalpa de todos los elementos estables. Tales como el oxgeno, nitrgeno e hidrgeno; la entalpa de un compuesto en un estado de 25C ( 298 K ) y 1 atm se escribe de la siguiente forma:

, (298, 1)compuestoh = ,298fh (1.2) De acuerdo, al principio de conservacin de la energa para un flujo permanente, la liberacin de calor en un proceso de combustin, es igual a la diferencia entre la entalpa de los productos y la entalpa de los reactivos, es decir:

=

&

&c

Qq

n = ( )i i p

i

n h - ( )i i ri

n h (1.3)

donde iic

nn

n=

&

& es la relacin entre el flujo molar de componente i que entra sale de la

cmara de combustin y el flujo molar del combustible. En la Figura 1.1 se muestra como se determina el calor de formacin del CO2, a partir de la combustin de 1 kgmol de carbn con 1 kgmol de oxgeno, a las condiciones de 1 atm y 25C.

1C + 1O2 1CO2 (g) (1.4)



Aplicando la ec. (1.3), se tiene:

q = ( ) ( )2 2 2 2,298 ,298 ,298 + CO CO C C O On h n h n h

393,520 /fc

Qq h kJ kgmol

n= = =

&

&

FiFiFiFigura 1.1gura 1.1gura 1.1gura 1.1. Entalpa de formacin del dixido de carbono. como el C y el O2 son elementos estables, y su entalpa a estas condiciones (298 K y 1 atm) es cero, entonces la liberacin de calor es:

fq h= = ( )2 2 ,298 CO COn h con base a la ec.(1.4), el flujo molar del CO2 y el flujo molar del combustible, C (que en este caso es igual al del CO2) es igual a uno, por lo tanto 2 1COn = y de acuerdo a la ec. (1.2) se tiene

, (298, 1)2COh = ,298, 2f COh

sustituyendo el valor de la entalpa de formacin para el CO2 (Tabla 1.3) ,298, 2f COh = - 393,520 kJ/ kgmol el signo negativo, indica que se est liberando calor de la reaccin qumica, para la formacin del CO2.

1 kgmol CO2 (g) 25C 1 atm

1 kgmol C 25C 1 atm

PPPProceso dededede comcomcomcombustinbustinbustinbustin

1 kgmol O2 25C 1 atm



Tabla 1.3. Tabla 1.3. Tabla 1.3. Tabla 1.3. Entalpa de formacin de algunos compuestos

Elemento o

Compuesto

,298fh (kJ/kgmol)

Oxgeno O2 0 Nitrgeno N2 0 Dixido de Carbono CO2 - 393,520 Agua H2O -241,820 Metano CH4 -74,900 Etano C2H6 -84,740 Propano C3H8 -103,900 Butano C4H10 -126,200

Fuente: [ref. 17]

La entalpa de los compuestos de la Tabla 1.3 a una temperatura, T, diferente al estado de referencia (298 K), se determina sumando el valor dado por la ec. (1.2) a la variacin de entalpa entre el estado de referencia y el estado especificado, es decir: ,i Th = , 298, 298( ) + f i T ih h h (1.5) 1.5.21.5.21.5.21.5.2 Entalpa de Reaccin Entalpa de Reaccin Entalpa de Reaccin Entalpa de Reaccin Cuando se efecta una combustin completa de un combustible a una presin y temperatura dadas, el calor transferido por kgmol de combustible se le nombra entalpa de reaccin. La entalpa de reaccin se define como la variacin de entalpa cuando una reaccin de combustin tiene lugar a una temperatura, T, su ecuacin es: ,R Th = , 298 298 , 298 298( ) ( ) + + i f T i i f T i

p rn h h h n h h h (1.6)

1.5.31.5.31.5.31.5.3 Entalpa de CombustinEntalpa de CombustinEntalpa de CombustinEntalpa de Combustin La entalpa de reaccin, en un proceso de combustin, se conoce como la entalpa de combustin, y es la cantidad de calor liberado durante un proceso de combustin, cuando 1 kgmol ( 1 kg) de combustible se quema completamente. La entalpa de reaccin, ec. (1.6), es una manera general de cmo determinar el calor liberado en una reaccin qumica. Sin embargo, cuando interviene un hidrocarburo con aire u oxgeno en la reaccin qumica, es conveniente nombrar a la entalpa de reaccin como la entalpa de combustin, es decir:



,c Th = , 298 298 , 298 298( ) ( ) + + i f T i i f T i

p rn h h h n h h h (1.7)

el valor de Th en los reactivos es evaluado a la temperatura del aire a la entrada de la cmara de combustin, T2 y, en los productos a la temperatura de flama adiabtica, Tfa. 1.5.4 Poder CalorficoPoder CalorficoPoder CalorficoPoder Calorfico El poder calorfico se define como la energa liberada por el proceso de combustin, y su valor siempre es positivo (el poder calorfico de un combustible es igual al valor absoluto de la entalpa de combustin del combustible). La entalpa de combustin se indica en base molar, mientras que los poderes calorficos casi siempre son con base a la masa (kilogramos). El poder calorfico depende del estado en que se encuentre el agua en los productos de combustin. Poder calorfico inferior (PCI) :Poder calorfico inferior (PCI) :Poder calorfico inferior (PCI) :Poder calorfico inferior (PCI) : es el calor liberado por kilogramo de combustible, el agua formada en los productos de combustin est en forma de vapor.

PCI = ,c T

c

hM

(1.8)

PPPPoder calorfico superior (PCS): oder calorfico superior (PCS): oder calorfico superior (PCS): oder calorfico superior (PCS): es el calor liberado por kilogramo de combustible, el agua en los productos de combustin se encuentra en estado lquido.

PCS = PCI + ( )2

fg H Oh 2 2

H O H O

c c

N MN M

(1.9)

En la Tabla 1.4, se muestran los poderes calorficos de algunos combustibles; se observa que el poder calorfico del metano es mayor con respecto a los otros combustibles.

Tabla 1.4.Tabla 1.4.Tabla 1.4.Tabla 1.4. Poder calorfico superior e inferior de algunos combustibles.

CombustibleCombustibleCombustibleCombustible MMMMcccc (kg (kg (kg (kgcccc/kgmol/kgmol/kgmol/kgmolcccc))))

PCSPCSPCSPCS (kJ/kg(kJ/kg(kJ/kg(kJ/kgcccc))))

PCIPCIPCIPCI (kJ/kg (kJ/kg (kJ/kg (kJ/kgcccc))))

Metano 16.043 55,228 50,016 Gas Natural 17.962 52,620 49,124 Etano 28.054 51,901 47,489 Propano 42.080 50,368 46,357 Butano 58.123 49,546 45,742 Keroseno 142.28 48,020 44,602



El poder calorfico inferior del gas natural en este anlisis se determina por la sumatoria del producto de la concentracin del gas presente en la mezcla y su poder calorfico del gas, es decir,

PCI = ( )1

[ ]=

n ii

f PCI (1.8.1)

Por ejemplo, utilizando los valores de los poderes calorficos de los combustibles (Tabla 1.4) y la fraccin de combustible contenida en el gas natural (Tabla 1.2) se tiene:

[ ] [ ] [ ][ ]

2 4 3 8

4 10

0.8685(50,016) 0.1268(47,489) 0.0041(46,357)

0.0006(45,742) 49,678 /

GN C H C H

cC H

PCI

kJ kg

= + + +

=

Las turbinas de gas emplean como combustible gas natural o lquidos como el keroseno, en el captulo 4 se presentan las caractersticas de estos combustibles. En la Figura 1.2 se muestra el comportamiento del poder calorfico inferior del combustible con respecto a su masa molecular, a una temperatura de referencia de 25C; se muestra que la energa liberada al quemar gas natural es solo del 2% menor con respecto al metano, en cambio, para una mezcla de combustibles con mayor masa molecular (keroseno, por ejemplo) es del 11% menor con respecto al mismo metano, es decir, conforme aumenta la masa molecular del combustible, disminuye su poder calorfico inferior del combustible, por consiguiente, tambin decrece su poder calorfico superior.

44,602

45,702

46,802

47,902

49,002

16 27 38 49 60 71 82 93 104 115 126 137

MMMMcccc (kg (kg (kg (kgcccc/kgmol/kgmol/kgmol/kgmolcccc))))

MetanoMetanoMetanoMetano

KerosenoKerosenoKerosenoKerosenoButanoButanoButanoButano

PropanoPropanoPropanoPropano

EtanoEtanoEtanoEtano 95%

89%

91%

93%

100%

Gas naturalGas naturalGas naturalGas natural 98%

Tref = 25C

Figura 1.2.Figura 1.2.Figura 1.2.Figura 1.2. Poder calorfico inferior en funcin de la masa molecular.

PC

I (

kJ/k

gP

CI

(kJ

/kg

PC

I (

kJ/k

gP

CI

(kJ

/kg c ccc

) )))



1.61.61.61.6 Combustin estequiomtricaCombustin estequiomtricaCombustin estequiomtricaCombustin estequiomtrica La reaccin de la combustin estequiomtrica del gas natural y el aire (oxidante) que mantienen la composicin qumica de las Tablas 1.2 y 1.1 respectivamente, es la siguiente:

2 2 2 2 2

( )( ) (0.20946 0.78084 ) ( )

2

ii

x y i ii i

fyfC H O N fx CO H O N

+ + + + (1.10)

En la ec.(1.10), f es la fraccin del combustible i contenida en un mol de combustible, es decir, la suma de las f debe ser igual a 1. Sustituyendo las fracciones de los combustibles y los nmeros de carbonos e hidrgenos presentes de cada combustible se obtiene: ( )

( )( )

4 2 6 3 8 4 10 2 2

2

2 2

0.8685 0.1268 0.0041 0.0006 (0.20946 0.78084 )

0.8685(1) 0.1268(2) 0.0041(3) 0.0006(4)

0.8685(4) 0.1268(6) 0.0041(8) 0.0006(10)(1.10.1)

2

CH C H C H C H O N

CO

H O N

+ + + + +

+ + +

+ + ++ +

donde el 1,2,3,4 en el coeficiente estequiomtrico del CO2 y 4,6,8,10 en el coeficiente estequiomtrico del H2O son el nmero de carbonos e hidrgenos presentes en el metano, etano, propano y butano respectivamente; realizando las sumas por simple inspeccin en los productos, se observa que la composicin del gas natural es similar al metano, debido a que es el gas que se presenta en mayor abundancia en esta mezcla. Al hacer el balance molar en la ec.(1.10) respecto a la molcula de oxgeno se determina el coeficiente, , es decir:

( ) ( )( )

2 0.20946 22

ii

ii

fyfx = +

realizando las operaciones convenientes y despejando se llega a:

1.19354 4 ( ) ( )i ii i

fx fy = + (1.11) es la relacin aire-combustible molar rac molar; al realizar el balance molar en la ec.(1.10) respecto a la molcula de nitrgeno se determina el coeficiente, , es decir: ( )0.78084 = (1.12)



sustituyendo (ec. 1.11) en la ecuacin anterior (1.12) y realizando las operaciones convenientes se llega a:

0.93197 4 ( ) ( )i ii i

fx fy = + (1.12.1) es el nmero de moles de nitrgeno en los productos de combustin que depende de . El racmsico se expresa de la siguiente manera:

amasicoc

Mrac

M

=& (1.13)

la ecuacin anterior (1.13) se define para 1 kgmolc. El nmero total de moles de los reactivos se expresa como sigue: 1rN = + (1.14)

la ecuacin anterior (1.14), significa que un mol de combustible se combina con moles de aire para efectuarse la combustin estequiomtrica . El anlisis molar de cada reactivo es;

2

2

1 1(1.15)

1

0.20946 0.20946(1.15.1)

1

0.78084 0.78084(1.15.2)

1

x yC Hr

Or

Nr

N

N

N

= =

+

= =

+

= =

+

las ecuaciones anteriores (1.15, 1.15.1 y 1.15.2) indican la fraccin mol de combustible, oxgeno y nitrgeno presente en la combustin estequiomtrica. Por otra parte, el nmero de moles de los productos se expresa como sigue:

( )( )2

ii

p ii

fyN fx = + +

(1.16)

y las fracciones molares de cada producto se establecen de la siguiente manera;



( )

( )

2

2

2

(1.17)

(1.17.1)2

(1.17.2)

ii

COp

ii

H Op

Np

fxY

N

fyY

N

YN

=

=

=

1.71.71.71.7 Temperatura de IgnicinTemperatura de IgnicinTemperatura de IgnicinTemperatura de Ignicin La temperatura de ignicin es la temperatura mnima para que empiece la combustin de un combustible, en ausencia de una chispa o flama (ver Tabla 1.5). Para efectuarse la combustin en la turbina de gas se realiza lo siguiente: el compresor toma aire del medio ambiente y lo comprime hasta una presin determinada, p2, aumentando la temperatura del aire, desde la temperatura ambiente T1 hasta la temperatura T2. El aire que sale del compresor entra a la cmara de combustin por un difusor. ste regula el flujo de aire (Fig. 1.3). Tabla 1.5. Tabla 1.5. Tabla 1.5. Tabla 1.5. Temperatura de ignicin de algunos combustibles en aire a 1 atm.

ComComComCombustiblebustiblebustiblebustible M (kg/kgmol)M (kg/kgmol)M (kg/kgmol)M (kg/kgmol) Temperatura de ignicin (C)Temperatura de ignicin (C)Temperatura de ignicin (C)Temperatura de ignicin (C) Metano CH4 16 537 Etano C2H6 30 472 Propano C3H8 44 470 Butano C4H10 58 365 Gas Natural 18 649 Keroseno C12H24 168 255

Fuente: [ref. 5 y 10] En la Tabla 1.5 se observa que al aumentar el peso molecular del combustible disminuye su temperatura de ignicin. En la Figura 1.3 se muestra el diagrama esquemtico de la turbina de gas; las turbinas de gas son mquinas cuya caracterstica comn es que, el fluido de trabajo acta directamente sobre uno o varios elementos mviles montados sobre el mismo rbol motor; la accin del fluido de trabajo sobre estos elementos mviles, provoca la rotacin del eje motor. Se trata, por tanto, de motores rotativos.



Las turbinas constan, esencialmente, de uno o ms distribuidores o partes fijas que reciben el fluido de trabajo y lo impulsan hacia uno o ms elementos mviles o labes fijos, el rbol motor.

AireAireAireAire

1111

CompresorCompresorCompresorCompresorTurbinaTurbinaTurbinaTurbina

dedededeGasGasGasGas

Cmara de CombustinCmara de CombustinCmara de CombustinCmara de Combustin

4444

22223333

CombustibleCombustibleCombustibleCombustible

Flujo primarioFlujo primarioFlujo primarioFlujo primario

Flujo secundarioFlujo secundarioFlujo secundarioFlujo secundario

PotenciaPotenciaPotenciaPotenciaGeneradaGeneradaGeneradaGenerada

TTTT1111 = 25C = 25C = 25C = 25C

TTTT2222TTTT3333

TTTTfafafafaGases deGases deGases deGases de

combustincombustincombustincombustinDifusorDifusorDifusorDifusor

TTTTrefrefrefref = 25C = 25C = 25C = 25C

Figura 1.3.Figura 1.3.Figura 1.3.Figura 1.3. Turbina de gas. 1.81.81.81.8 Temperatura de flama adiabticaTemperatura de flama adiabticaTemperatura de flama adiabticaTemperatura de flama adiabtica La energa liberada de una reaccin qumica en una cmara de combustin se presenta de dos formas: prdida de calor hacia los alrededores y un aumento de la temperatura de los gases de combustin. La mxima temperatura que alcanzan los gases en la combustin se le conoce como temperatura de flama adiabtica temperatura de flama adiabtica temperatura de flama adiabtica temperatura de flama adiabtica de la mezcla reactiva.

La temperatura de flama adiabtica es una consideracin importante en el diseo de las cmaras de combustin y de las turbinas de gas, al agregar un exceso de aire en la zona de mezcla de la cmara de combustin (ver Fig. 1.3) se disminuye la temperatura Tfa, a la temperatura de los gases de combustin a la entrada de la turbina de gas, T3, la cual se limita a las condiciones metalrgicas de los labes de la turbina de gas.



La ecuacin para evaluar el calor liberado, debido a la oxidacin del combustible por el aire a una temperatura de referencia de 298 K, se define como la suma de las entalpas de los reactivos menos la suma de las entalpas de los productos, es decir;

( )( )

2

2, 298 , 298 298298

, 298 298

( )

( ) ...(1.18)

x y

T

r C H i f i f T ii ii

p i f T ii

q N f h Cp dT h h h

N Y h h h

= + + +

+

la variacin de entalpa sensible 2982( )Th h para el aire es igual al valor de la entalpa a la

temperatura en el estado de referencia (298 K) menos el valor de la entalpa a la temperatura en el estado final, T2; el combustible se encuentra a una temperatura Tref, su estado final se considera en el momento que el combustible se oxida con el aire a la temperatura T2 (ver Fig. 1.3), la variacin de entalpa sensible del combustible 2982( )Th h

se determina al integrar Cp dT , proponiendo una correlacin del calor especfico, Cp . La variacin de entalpa en los gases de combustin se obtiene a la temperatura de referencia, hasta alcanzar la temperatura de flama adiabtica (Tfa); reordenando la ec. (1.18) para condiciones adiabticas (q = 0), resulta la ecuacin para determinar la temperatura de flama adiabtica, que se expresa de la siguiente manera:

( )

( )

2

2

, 298 298 , 298298

, 298 298

( )

( ) ...(1.19)

fa x y

T

p i f T r C H i fii i i

i f T ii

N Y h h h N f h Cp dT

h h h

+ = +

+ +

En la ec. (1.19) la nica incgnita es Tfah de los productos, los dems trminos de, h , son

conocidos (ver anexo 1):

( )

( )( )

2

2 2 2

2

, 298298

, 298 298

, 298 298

( )

) ...(1.20)

fa fa fa x y

T

p CO T H O T N T r C H i fi i

i f T ii

p i f ii

N Y h Y h Y h N f h Cp dT

h h h

N Y h h

+ + = +

+ +



Para gases ideales, ( )h h T= , entonces, el problema es encontrar la temperatura de los productos de combustin; la temperatura correspondiente al calor sensible de los productos de combustin para satisfacer la ec. (1.20) es la temperaturatemperaturatemperaturatemperatura de flamade flamade flamade flama adiabticaadiabticaadiabticaadiabtica (Tfa). La correlacin de calor especfico, Cp , para el combustible se escribe de la siguiente manera:

u

CpR

= a + bT + cT2 + dT3 (1.21)

donde las constantes a,b,c,d, son caractersticas de cada combustible. En la Tabla 1.6 se muestran los coeficientes para diferentes combustibles y su entalpa de formacin Tabla 1.6 Tabla 1.6 Tabla 1.6 Tabla 1.6 Coeficientes de algunos combustibles para determinar su calor especfico, Cp , y la entalpa de formacin. CombustibleCombustibleCombustibleCombustible aaaa bbbb cccc dddd

,298fh (kJ/kgmol)(kJ/kgmol)(kJ/kgmol)(kJ/kgmol) CHCHCHCH4444 19.25 0.05213 0.00001197 -1.132E-08 -74,831 CCCC2222HHHH6666 5.409 0.1781 -6.938E-05 8.713E-09 -84,667 CCCC3333HHHH8888 -4.224 0.3063 -0.0001586 3.215E-08 -103,847 CCCC4444HHHH10101010 9.487 0.3313 -0.0001108 -2.822E-09 -124,733

Fuente: [ref. 17] Sustituyendo la correlacin del Cp en la integral que aparece en la ec. (1.18), se obtiene:

( )= + + + 2 2 2 3ref ref

T T

uT T

Cp dT R a bT cT dT dT

integrando,

= + + + 22 3 42

2 3 4

TT

u

T Tref ref

T T TCp dT R aT b c d

2 3 422 2 2

2

2 3 4

( ) ( ) ( )[( ( ) )

2 3 4

( ) ( ) ( )( ( ) )] ...(1.22)

2 3 4

T

u

Tref

ref ref refref

T T TCp dT R a T b c d

T T Ta T b c d

= + + +

+ + +



Por ejemplo, al quemar butano gaseoso (C4H10) a una temperatura del aire a la entrada de la cmara de combustin de 460C, la variacin de entalpa del butano entre 25C y 460C, utilizando la ec.(1.21) de Cp , y sus respectivos coeficientes termodinmicos de la Tabla 1.6 es igual a:

= + 2 39.487 0.3313 0.0001108 2.822 09u

CpT T E T

R

integrando,

( )= = +

= +

4 10460 460

2 3,460

25 25

4602 3 4

25

9.487 0.3313 0.0001108 2.822 09

9.487 0.3313 0.0001108 2.822 092 3 4

C H u

u

h Cp dT R T T E T dT

T T TR T E

evaluando los limites de integracin y el valor de la constante universal de los gases, Ru, se obtiene,

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

= + +

2 3 4

2 3 4

460 460 4608.314 9.487 460 0.3313 0.0001108 2.822 09

2 3 4

25 25 259.487 25 0.3313 0.0001108 2.822 09

2 3 4

E

E

por lo tanto, =

4 10 ,460537,518 /C Hh kJ kgmol

Como un ejemplo se determina la relacin aire-combustible del metano, CH4, en su reaccin de combustin estequiomtrica, la cual es: CH4 + 2O2 + 7.45N2 CO2 + 2H2O + 7.45N2 el nmero de moles de aire presentes en la reaccin son: [ ] ( )1.19354 4 1.19354 4 1 4 9.54 ax y kgmol = + = + =



la masa molar del aire se determina por la suma del producto de la fraccin por su masa molecular del elemento es decir,

( ) ( )2 2 2 2

2 2

0.20946 32 0.78084 28 28.56

a O O N N

O N a

M f M f M

kg kg kgkgmol kgmol kgmol

= +

= + =

hay 1 kgmolc de combustible presente en la reaccin; la masa molecular de combustible es de 16 kgc/kgmolc de metano, por lo tanto, la relacin de aire combustible en funcin de la masa de aire y combustible presente en la reaccin es:

9.54 28.56272.46

( ) 161 16

= = =

aa

aa a

c ccc

c

kgkgmolkgmolM kgrac

NM kgkgkgmolkgmol

= 17.02 kga /kgc

De acuerdo al principio de conservacin de la masa; la masa de los gases de combustin se determina como la suma de la masa del aire y el combustible, es decir,

272.46 16

288.46

gc a c

gc

gc gc

m m m

m

m kg

= +

= +

=

En la Figura 1.4 se muestra esquemticamente el caso anterior

Figura 1.4 Figura 1.4 Figura 1.4 Figura 1.4 Relacin aire-combustible de la reaccin de combustin

del metano en una cmara de combustin.

gcm Aire 272.46 kga

Cmara deCmara deCmara deCmara de combustincombustincombustincombustin

Gases de combustin

288.46 kggc

Combustible 16.0 kgc

cm

am

rac = 16.86 kga/kgc



1.91.91.91.9 Relacin de equivalencia Relacin de equivalencia Relacin de equivalencia Relacin de equivalencia La relacin de equivalencia se usa en el anlisis de los motores de ignicin por chispa e ignicin por compresin y en las turbinas de gas. Es la relacin entre las relaciones de aire-combustible estequiomtrico y real, es decir:

stq

real

rac

rac = (1.23)

S = 1 la mezcla es estequiomtrica > 1 la mezcla es rica en combustible < 1 la mezcla es pobre en combustible

1.101.101.101.10 Mezcla Pobre en Combustible, Mezcla Pobre en Combustible, Mezcla Pobre en Combustible, Mezcla Pobre en Combustible, < 1< 1< 1< 1 Es una mezcla que requiere exceso de aire para poder arder, es decir, no se suministra el combustible suficiente para la reaccin. En general, la reaccin de combustin para una mezcla pobre en combustible o con exceso de aire se define de la siguiente manera:

( ) 2 2 2 2(0.20946 0.78084 ) (1 )(0.20946 0.78084 )x y ii fC H O N O N + + + + ( ) ( )2 2 2 2 2(1 )(0.20946 0.78084 )2

i i

ii

fyxf CO H O N O N

+ + + + (1.24) la relacin aire-combustible molar se escribe como;

(1 )

molarrac

+

= (1.25)

el rac msico se define de la siguiente manera;

( )( )

( ) ( )(1 ) 0.20946(2 ) 0.78084(2 )O N

masico

C Hi ii i

M Mrac

fx M fy M

+ +=

+ & (1.26)



el nmero total de moles de los reactivos y productos es;

( )( )

(1 ) (1.27)

(1 ) (1.27.1)2

r

ii

p ii

N

fyN fx

= + +

= + + +

y el anlisis molar para reactivos y productos en esta reaccin es simplemente;

( )

( )

2

2

(1.28)

0.20946 (1 )(1.28.1)

0.78084 (1 )(1.28.2)

x yC Hr

Or

Nr

N

N

N

=

+ =

+ =

( )

( )

( )

2

2

2

2

(1.29)

(1.29.1)2

0.20946 (1 )(1.29.2)

0.78084 (1 )(1.29.3)

ii

COp

ii

H Op

Op

Np

fxY

N

fyY

N

YN

YN

=

=

=

+ =

El exceso de aire, se define como la relacin msica entre el aire utilizado y el necesario para una reaccin estequiomtrica con la misma cantidad de combustible, es decir:

aastq

mm

= (1.30)



el exceso de aire en funcin de la relacin de equivalencia se expresa de la siguiente manera;

= = astq stqreal a

mrac

rac m (1.31)

o bien, 1

= (1.32)

para expresar el porcentaje de exceso de aire que se necesita en una reaccin de combustin, es necesario, definir el exceso de aire a partir de la ec.(1.32) restando la cantidad de aire requerida en una combustin estequiomtrica y multiplicar por cien, es decir;

(1 )(%) 100

= (1.33)

si en la ecuacin anterior (1.33), = 1, no se tiene exceso de aire por lo que se dice que la combustin es estequiomtrica. En la Figura 1.5, se presenta la dependencia del exceso de aire que existe con la temperatura de los gases a la entrada de la turbina de gas y, se muestra que al aumentar la temperatura de los gases a la entrada de la turbina el exceso de aire es menor. Esto se debe a que, a mayores temperaturas de los gases a la entrada de la turbina se requiere de menos aire secundario y terciario para enfriar a los gases hasta la temperatura deseada.

100

200

300

400

500

600

600 850 1,100 1,350 1,600 1,850

Temperatura TTemperatura TTemperatura TTemperatura T3333 (C) (C) (C) (C)

Exc

eso

de a

ire

Exc

eso

de a

ire

Exc

eso

de a

ire

Exc

eso

de a

ire

(%)

(%

) (

%)

(%

)

Figura 1.5Figura 1.5Figura 1.5Figura 1.5 Exceso de aire requerido para que los gases de combustin alcancen una determinada temperatura a la entrada de la

turbina de gas.



Se puede hablar de alta temperatura de los gases a la entrada de la turbina, sin atribuir un valor exacto a este concepto. Es importante precisar en el proceso de transformacin de la energa en calor, no existe tericamente un lmite mximo; ste existe para los materiales y como primera aproximacin se le puede relacionar con la temperatura de fusin, a la cual el estado del material cambia de slido a lquido. Este parmetro no es del todo significativo, debido a que existen otros fenmenos que reducen las caractersticas mecnicas a valores no aceptables, antes de llegar a la temperatura de fusin, entre estos esta el de fluencia, que depende de la combinacin de la temperatura, tiempo de trabajo y esfuerzo. Dado que se est considerando a la temperatura del aire a la salida del compresor, T2, como la temperatura inicial de la combustin, y sta depende de la relacin de presiones, la cual se expresa como:

21

pp

= (1.34)

Se muestra la aplicacin de la metodologa al calcular, la relacin de equivalencia, la relacin aire-combustible y la temperatura en una combustin estequiomtrica y pobre en combustible. El combustible empleado es gas natural, que representa la mezcla de diferentes combustibles gaseosos, cuya composicin qumica se muestra en la Tabla 1.2; las condiciones del ambiente son de 25C y 1 bar, el aire entra a la cmara de combustin a una temperatura de 460C para una relacin de presiones igual a 15 y una eficiencia de compresin isentrpica igual a 0.8, el combustible inicialmente se encuentra a la temperatura del sumidero y se mezcla a la temperatura del aire a la entrada de la cmara de combustin, originndose as la combustin. En la combustin estequiomtrica, el requerimiento terico de aire es del 100%, el necesario para que se efecte una combustin completa. Por lo tanto, la relacin de equivalencia es igual a,

1.0

11.0

stq

real

rac

rac = = =

La reaccin qumica para la combustin estequiomtrica del gas natural de acuerdo a la ec.(1.10) es 2 2 2 2 22.2052 8.2207 1.137 2.137 8.2207x yC H O N CO H O N+ + + +

La relacin aire-combustible molar presente en la reaccin es,

10.528 amolarc

kgmolrac

kgmol= =



el racmsico es

( )10.528 28.56

16.74117.96

amasico

c

kgrac

kg= =&

el nmero total de moles en los reactivos, de acuerdo a la ec.(1.14) es

Nr = 11.53 kgmol la fraccin mol de los reactivos, presente en la combustin es

2

2

0.0867

0.1912

0.7131

x yC H

O

N

=

=

=

el nmero total de moles en los productos, de acuerdo a la ec.(1.16) es

Np = 11.49 kgmol la fraccin mol de los productos, presente en la combustin es

2

2

2

0.0989

0.1859

0.7151

CO

H O

N

Y

Y

Y

=

=

=

En esta combustin ( = 1) la temperatura de flama adiabtica tiene relevancia, para calcularla se emplea la ec. (1.20) obtenindose,

( ), , ,2 2 211.49 0.0989 0.1859 0.7151 1,315,319T T Tfa CO fa H O fa Nh h h kJ+ + = esta ecuacin se resuelve de manera iterativa proponiendo una temperatura de las entalpas de los gases de combustin para satisfacer la igualdad, es decir



Tabla 1.7 Tabla 1.7 Tabla 1.7 Tabla 1.7 Iteracin para obtener la temperatura de flama adiabtica.

Tfa [C]

,i T ifapY h

[kJ] 2,627 1,259,871 2,677 1,284,537 2,727 1,309,224

? 1,315,319 2,777 1,333,954

En la Tabla 1.7 se muestra que la temperatura de flama adiabtica del gas natural est entre 2,727 C y 2,777 C para conocer la temperatura que satisface con la igualdad de 1,315,319 kJ hay que interpolar estos valores, resulta una temperatura de 2,739C. Cuando se suministra un 30% de exceso de aire se en la cmara de combustin el requerimiento terico de aire vara respecto a la estequiomtrica, por consiguiente, la relacin de equivalencia no es la misma aplicando la ec. (1.23) se tiene:

= 11.3

stq

real

rac

rac= = 0.77

La reaccin de combustin pobre del gas natural de acuerdo a la ec.(1.24) es igual a

2 2 2 20.77 1.698 6.3299 0.5072 1.8908x yC H O N O N+ + + +

2 2 2 2 20.875 1.645 6.3299 0.5072 1.8908CO H O N O N + + + + La relacin aire-combustible molar presente en la reaccin es,

( )10.528 0.77 10.528(1 0.77) 13.6730.77

amolar

c

kgmolrac

kgmol

+ = =

el racmsico es

( )( ) ( ) ( )( )( )( )

10.528 0.77 10.528(1 0.77) 0.20946(2 16 ) 0.78084(2 14 )

0.77 1.137(12) 4.274 1

21.802

masico

a

c

rac

kgkg

+ += =

+

=

&



y la relacin aire-combustible debido al exceso de aire es racreal = masicorac & (1.35) el exceso de aire se determina por la ec. (1.32) para este caso es;

1

1.290.77

= = sustituyendo los valores correspondientes se tiene:

( )1.29 21.802 28.314 arealc

kgrac

kg= =

el nmero total de moles de los reactivos y productos, de acuerdo a las ecs.(1.27 y 1.27.1) es Nr = 11.30 kgmol; Np = 11.27 kgmol la fraccin mol para los reactivos y productos en esta reaccin de combustin es

2

2

0.0681

0.1951

0.7276

x yC H

O

N

=

=

=

2

2

2

2

0.0776

0.1459

0.0449

0.7292

CO

H O

O

N

Y

Y

Y

Y

=

=

=

=

La temperatura correspondiente a la relacin de equivalencia ( = 0.77), se determina de manera iterativa por medio de la ec. (1.20) sustituyendo los datos conocidos en la ecuacin mencionada se obtiene

( ), , , ,2 2 2 211.27 0.0776 0.1459 0.0449 0.7292 1,064,976T T T Tfa CO fa H O fa O fa Nh h h h kJ+ + + = se propone una temperatura de los productos de combustin hasta cumplirse la igualdad, es decir:



Tabla 1.8 Tabla 1.8 Tabla 1.8 Tabla 1.8 Iteracin para obtener la temperatura debido al exceso de aire.

Tfa [C]

,i T ifapY h

[kJ] 2,177 997,212 2,227 1,020,364 2,277 1,043,552

? 1,064,976 2,327 1,066,788

En la Tabla 1.8 se muestra que la temperatura del gas natural debido al exceso de aire est entre 2,277C y 2,327C para conocer la temperatura que satisface con la igualdad de 1,064,976 kJ hay que interpolar estos valores, por lo tanto, la temperatura debido al exceso del 30% de aire es de 2,323C. La temperatura de flama adiabtica tiene lugar cuando la relacin de equivalencia es igual a uno ( = 1), para valores de < 1 a la temperatura de flama adiabtica se renombra como la temperatura de los gases de combustin debido al exceso de aire suministrado en la cmara de combustin.

1.111.111.111.11 Mezcla Rica en Combustible, Mezcla Rica en Combustible, Mezcla Rica en Combustible, Mezcla Rica en Combustible, > 1> 1> 1> 1 Es una mezcla en donde existe un exceso de combustible en la combustin, o bien, que no se tiene el suministro de aire suficiente para la combustin. La reaccin de combustin de un hidrocarburo para una mezcla rica en combustible est dada por:

( ) ( ) ( )

( )2 2 2 2 2(0.20946 0.78084 ) 2

( 1) ...(1.36)

ii

x y iii i

x y ii

fyfC H O N fx CO H O N

fC H

+ + + + +

+ la relacin aire combustible molar para esta mezcla se define de la siguiente manera;

molarrac

= (1.37) donde es el nmero de moles de aire y es el nmero de moles de combustible, necesarios para que se efecte la reaccin de combustin.



el rac msico

( ) ( )( )

( ) ( )0.20946 2 0.78084 2O N

masico

C Hi ii i

M Mrac

fx M fy M

+

= +

& (1.38)

el nmero total de moles de los reactivos es simplemente, rN = + (1.39) y de los productos

( )( )

( )12

ii

p ii

fyN fx = + + +

(1.40) entonces el anlisis molar para reactivos y productos en esta reaccin es;

2

2

(1.41)

0.20946(1.41.1)

0.78084(1.41.2)

x yC Hr

Or

Nr

N

N

N

=

=

=

( )

( )

( )

2

2

2

(1.42)

(1.42.1)2

(1.42.2)

1(1.42.3)

x y

ii

COp

ii

H Op

Np

C Hp

fxY

N

fyY

N

YN

YN

=

=

=

=



A manera de ejemplo se calcula la relacin de equivalencia, la relacin aire-combustible y la temperatura (debido a la deficiencia de aire) para una mezcla rica en combustible, al quemar gas natural con 30% de deficiencia de aire, a una temperatura de referencia de 25C y 1 bar de presin, la temperatura del aire a la entrada de la cmara de combustin es de 460C que corresponde a una relacin de presiones de 15 y una eficiencia de compresin isentrpica de 0.8. Se tiene una deficiencia de aire del 30%, y si el por ciento terico de aire en la estequiometra es del 100%, entonces la diferencia entre la cantidad de aire en la estequiometra y la deficiencia de aire es igual al 70%, que equivale al aire terico empleado en la combustin. La relacin de equivalencia es,

11.43

0.7 = =

la reaccin de combustin rica para el gas natural de acuerdo a la ec.(1.36) es

2 2 2 2 21.43 2.2052 8.2207 1.137 2.137 8.2207 0.43x y x yC H O N CO H O N C H+ + + + +

la relacin aire-combustible molar presente en la reaccin,

10.528

7.3621.43

amolar

c

kgmolrac

kgmol= =

el racmsico

( ) ( )( )( ) ( )( )

10.528 0.20946 2(16) 0.78084 2(14)11.739

1.43 1.137 12 4.274 1a

masico

c

kgrac

kg

+= =

+&

el nmero total de moles de los reactivos y productos, en relacin a las ecs. (1.39 y 1.40) es Nr = 11.95 kgmol; Np = 11.92 kgmol la fraccin mol de los reactivos y productos en esta reaccin es

2

2

0.1195

0.1844

0.6874

x yC H

O

N

=

=

=

2

2

2

0.0953

0.1792

0.6894

0.0360x y

CO

H O

N

C H

Y

Y

Y

Y

=

=

=

=



La temperatura correspondiente para la relacin de equivalencia ( = 1.43) se determina de manera iterativa por medio de la ec. (1.20), sustituyendo los valores respectivos se obtiene

, , ,2 2 2 111.92 0.0953 0.1792 0.6894 0.0360( )

886,457

Tfa

T CO T H O T N C Hfa fa fa x yT

h h h Cp dT

kJ

+ + + = =

se propone una temperatura de los gases de combustin hasta cumplirse la igualdad, es decir: Tabla 1.9

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