Unidad 02 B - Presentación Combustión Modelo Estático

COMBUSTIN MODELO

Mquinas Trmicas Hidrulicas y Fluidos

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MODELO ESTTICO DE ANLISIS

Consideraciones Generales

El modelo esttico de anlisis slo tiene en cuenta el estado de los reactantes al principio y al final del proceso (productos), sus relaciones y las reacciones que se producen.No considera el


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las reacciones que se producen.No considera el orden de las reacciones ni los estados parciales que se manifiestan durante el desarrollo del fenmeno.

Lo expuesto constituye la principal limitacin de este esquema y obliga , para un adecuado diagnstico , a complementar su utilizacin con la del modelo dinmico de anlisis.

Modelo dinmico de anlisis

Tiene en cuenta el orden en que reaccionan los elementos y la velocidad de la reaccin.

Considera la velocidad de desplazamiento de cada partcula y de la combustin misma ( frente de


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partcula y de la combustin misma ( frente de llama ).

El anlisis desde el punto de vista dinmico es de fundamental importancia para el diseo de los de los equipos de combustin.

Consideraciones Previas y Definiciones - Modelo Esttico.

Definicin General La combustin es un fenmeno qumico en el

cual ciertos elementos constitutivos de los


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combustibles se combinan con el oxgenoquedando liberadas importantes cantidades de calor.

Elementos Intervinientes Considerando las posibles composiciones de los

combustibles y ,a los efectos de la combustin , existirn :

Consideraciones Previas y Definiciones - Modelo Esttico.

Elementos Intervinientes Elementos Activos: Carbono - Oxgeno -

Hidrgeno - Azufre.Elementos Inertes: Nitgeno.


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Elementos Inertes: Nitgeno. Elementos Nocivos: Azufre - Vanadio -

Sodio.

Tipos de Combustin Combustin Perfecta Terica Es aquella en la cual todos los elementos activos se

saturan totalmente y se realiza con el aire estequeomtrico.

Si Ao es el aire estequeomtrico tendremos:


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Si Ao es el aire estequeomtrico tendremos: Cx Hy + Ao CO2 + H2O + N2 No hay elementos activos en los productos finales

por lo que la combustin perfecta es neutra desde este punto de vista.

Tipos de Combustin Combustin Imperfecta Es aquella que, realizada con sin exceso de aire,

no se verifica la saturacin total de los elementos activos del combustible.

La combustin imperfecta puede acontecer por


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La combustin imperfecta puede acontecer por insuficiencia por una deficiente mezcla del aire ( an estando en exceso) con el combustible.Esta ltima opcin puede verificarse por mal funcionamiento del quemador; malas condiciones del hogar; rgimen turbillonario inadecuado; etc.

Para cada caso ser:

Tipos de Combustin Combustin Imperfecta Cx + Hy + Ainsf. CO2 + H2O + CO + H2 + N2

Cx + Hy + Aexc. CO2 + H2O + CO + H2 + N2 + Aire.


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+ Aire.

Como se observa en ambos casos , en los productos finales aparecen H2 y CO motivo por el cual la combustin imperfecta es reductora.

Tipos de Combustin Combustin Completa Es aquella en la cual los elementos activos del

combustible se saturan totalmente pero se realiza siempre con exceso de aire.

De acuerdo a lo anterior se tiene:


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Cx + Hy + Aexc. CO2 + H2O + N2 + O2 Como se observa, en los productos finales, queda

oxgeno libre, por lo que la combustin completa es oxidante.

Tipos de Combustin Combustin Incompleta Es aquella en la cual, an con existencia de exceso

de aire, no todo el combustible reacciona , es decir, queda parte del mismo degradado.

De esta forma, se tiene:


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De esta forma, se tiene:

Cx + Hy + Aexc. CO2 + H2O + N2 + Aire + Cm Hn donde:x >m, e y >n

combustible degradado

Exceso de Aire . Sus razones. En la prctica siempre se trabaja con algn exceso de

aire sobre el terico necesario.Con solo suministrar al combustible el aire estequeomtrico y , por buena que resulte la mezcla, siempre quedara luego de producida la combustin, combustible sin quemar y algo de oxgeno libre.


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algo de oxgeno libre. Por lo tanto, para asegurar la combustin completa,

se aade cierto exceso de aire y en esa forma se asegura que, con una relativa abundancia de ste, todos los elementos activos del combustible encuentren el oxgeno necesario para saturarse por completo.

Exceso de Aire . Sus razones. El exceso de aire a mantener debe ser el mnimo

posible dado que: 1.- Absorbe calor que luego ser extrado con l por la

chimenea. 2.- Cuanto mayor sea el exceso con el que se

proyecte trabajar mayores debern ser las


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proyecte trabajar mayores debern ser las dimensiones del hogar donde se efecte la combustin del combustible.

Exceso de Aire. Definiciones. Denominando como: Ao: Aire terico estequeomtrico. Ar: Aire real. e: Indice de exceso de aire. Se tendr que:


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e = Ar / Ao e ( % ) = ( Ar / Ao - 1 ) * 100

Relaciones Aire - Oxgeno 1.- En Peso Por cada kilogramo , la composicin del aire seco es: Nitrgeno: 76,8 % Oxgeno : 23,2 % Por lo tanto la relacin N2/O2 es: 76,8/23,2 3,31/1


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Por lo tanto la relacin N2/O2 es: 76,8/23,2 3,31/1 La relacin Aire/Oxgeno es: 1/0,232 4,31/1 Esto significa que son necesarios 4,31 kg de aire

seco para tener 1 kg de oxgeno.

Relaciones Aire - Oxgeno 2.- En Volumen Por cada normal m3 ( Nm3 ), la composicin del aire

seco es:

Nitrgeno: 79 % Oxgeno : 21 %

Por lo tanto la relacin N /O es: 79/21 3,76/1


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Por lo tanto la relacin N2/O2 es: 79/21 3,76/1 La relacin Aire/Oxgeno es: 1/0,232 4,76/1 Esto significa que son necesarios 4,76 Nm3 de aire

seco para tener 1 Nm3 de oxgeno.

Ecuaciones Estequeomtricas de los Elementos Activos Se considerarn la composicin elemental del

combustible y las relaciones en peso. Combustin estequeomtrica del CarbonoCombustin estequeomtrica del Carbono C + O2 CO2 + calor


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12 kg 32 kg La relacin en peso O2/C es 32/12 = 2,67 esto implica que: para quemar 1 kg de C se necesitan 2,67 kg de O2. Se tendr luego que: 1kg de C + 2,67kg de O2 3,67kg de CO2 + 8080 kcal

Ecuaciones Estequeomtricas de los Elementos Activos Combustin estequeomtrica del HidrgenoCombustin estequeomtrica del Hidrgeno H2 + O2 H2O + calor

2 kg 16 kg La relacin en peso O2/H2 es 16/2 = 8 esto implica que:


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La relacin en peso O2/H2 es 16/2 = 8 esto implica que: para quemar 1 kg de H2 se necesitan 8 kg de O2. Se tendr luego que: 1kg de H2 + 8kg de O2 9kg de H2O + 28.600 kcal

Ecuaciones Estequeomtricas de los Elementos Activos Combustin estequeomtrica del AzufreCombustin estequeomtrica del Azufre S + O2 SO2 + calor

32 kg 32 kg La relacin en peso O2/S es 32/32 = 1 esto implica


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La relacin en peso O2/S es 32/32 = 1 esto implica que: para quemar 1 kg de S se necesita 1 kg de O2. Se tendr luego que: 1kg de S + 1kg de O2 2kg de SO2 + 2.200 kcal

Ecuaciones Principales de la combustin Se considerar, para el desarrollo de las distintas

relaciones,que la composicin elemental del combustible incluye en peso los siguientes elementos:

c : carbono. h : hidrgeno.


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h : hidrgeno. o : oxgeno. ( inherente del combustible ) s : azufre. n : nitrgeno. ( inherente del combustible ) Oxgeno terico estequeomtricoOxgeno terico estequeomtrico Ser: Oop Oop : Oxgeno terico en peso. OovOov : Oxgeno terico en volumen.

Ecuaciones Principales de la combustin

OopOop = 2,67.c + 8 ( h - o/8 ) + 1.s ( kg/kg comb ) Donde o/8 es la cantidad de hidrgeno que se combina

oxgeno inherente del combustible. Considerando que el peso especfico del oxgeno en

condiciones normales es: 1,43 kg/Nm3 , para obtener el


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condiciones normales es: 1,43 kg/Nm3 , para obtener eloxgeno terico en volumen deber efectuarse:

2,67 kg / 1,43 kg/Nm3 = 1,86 Nm3 . 8 kg / 1,43 kg/Nm3 = 5,6 Nm3 . 1 kg / 1,43 kg/Nm3 = 0,7 Nm3 . Quedando finalmente: Oov = 1,86 .c + 5,6 ( h - o/8 ) + 1.s ( Nm3/kg comb )

Ecuaciones Principales de la combustin Aire terico estequeomtricoAire terico estequeomtrico Ser: AopAop : Aire terico en peso. AovAov : Aire terico en volumen. De acuerdo a las relaciones establecidas para el aire y e

oxgeno, se tiene:


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AopAop = 4.31 . Oop .Por lo tanto los coeficientes sern: 2,67 . 4,31= 11,47 ; 8 . 4,31= 34,48 ; 1 . 4,31= 4,31 Finalmente ser: AopAop =11,47.cc + 34,48 .(h h -oo/8) + 4,31.ss ( kg/kgcomb ) Luego: AovAov = 4,76 . Oov , siendo los coeficientes:

Ecuaciones Principales de la combustin 1,86. 4,76 = 8,88 ; 5,6. 4,76 = 26,7 ; 0,7. 4,76 =3,33 Luego: AovAov = 8,88.cc + 26,7.( hh-oo/8) + 3,33.ss ( Nm3/kgcomb )

Gases Secos Producto de la Combustin Gases Secos Producto de la Combustin


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Gases Secos Producto de la Combustin Gases Secos Producto de la Combustin estequeomtrica.estequeomtrica.

Los gases secos estn constitudos por los productos de la combustin del carbonocarbono (COCO22);del azufre azufre (SOSO22) y el nitrgeno nitrgeno contenido en el aire utilizado ms el inherente contenido en la composicin elemental del combustible ( NN22 ).

Ecuaciones Principales de la combustin Ser: GspGsp : Gases secos producto de la combustin

estequeomtrica en peso. GsvGsv : Gases secos producto de la combustin

estequeomtrica en volumen. Si se consideran las relaciones anteriormente


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Si se consideran las relaciones anteriormente obtenidas, se tendr :

GspGsp = 3,67.cc + 2.ss + nn + 0,768.AopAop ( kg/kgcomb )

CO2 N2 SO2

Ecuaciones Principales de la combustin Si se tienen en cuenta los coeficientes

correspondientes al CO2 y al SO2, se observar que los mismos resultan de sumar al valor unitario de peso ( 1kg ) del elemento activo (C S ) los coeficientes que corresponden al Oop.Para la obtencin de los Gsv Gsv , , utilizando el mismo


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Para la obtencin de los Gsv Gsv , , utilizando el mismo criterio , habra que sumarle a los coeficientes correspondientes al Oov la unidad de volumen de cada elemento activo, como as tambin llevar a trminos de volumen el porcentaje de composicin en peso del nitrgeno inherente del combustible ( n).

Ecuaciones Principales de la combustin Considerando el peso especfico del carbono (2,3

kg/dm3), se tendr que el volumen de una molcula del mismo ser: 12kg/2,3kg/dm3=5 dm3=0,005 m3.Lo cual indica que el volumen del carbono resulta despreciable con respecto al del oxgeno.Con un razonamiento similar se llegar a la misma


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Con un razonamiento similar se llegar a la misma conclusin para el caso del azufre.

De acuerdo a lo anterior los coeficientes a ser usados en la ecuacin de los GsvGsv , para los elementos activos, no sufrirn alteracin respecto de los que figuran en la ecuacin del OovOov.

Ecuaciones Principales de la combustin Para el caso del nitrgeno inherente del combustible

se tendr que, si su peso especfico es 1,25 kg/Nm3entonces el volumen unitario ser: 1/1,25 kg/Nm3= 0,8 Nm3/kg.

Finalmente ser:GsvGsv=1,86.cc + 0,7.ss + 0,8.nn + 0,79.AovAov(Nm3/kg comb)


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GsvGsv=1,86.cc + 0,7.ss + 0,8.nn + 0,79.AovAov(Nm3/kg comb)

CO2 N2 SO2

Ecuaciones Principales de la combustin Gases hmedos producto de la combustin Gases hmedos producto de la combustin

estequeomtrica.estequeomtrica. Los gases hmedos estn compuestos por el agua

que se forma debido a la oxidacin del hidrgeno y el agua contenida en la composicin elemental del combustible.


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combustible. Ser: GhpGhp: Gases hmedos producto de la

combustin estequeomtrica en peso. Ghv: Gases hmedos producto de la

combustin estequeomtrica en volumen.

Ecuaciones Principales de la combustin De acuerdo a las relaciones obtenidas para la

combustin del hidrgeno y llamando ww a la humedad contenida en la composicin elemental del combustible , se tiene:

GhpGhp = 9.h h + ww ( kg/kgcomb )Considerando que el volumen especfico del vapor en


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Considerando que el volumen especfico del vapor en condiciones normales es: 1,24 Nm3/kg , se tendr que:

GhvGhv = 11,1.h h + 1,24.ww ( Nm3/kgcomb) Gases totales producto de la combustin Gases totales producto de la combustin

estequeomtricaestequeomtrica Para todos los casos ser: Gtot.Gtot. = Gh + Gs

Combustin con exceso de aire Para el anlisis de la combustin con exceso de aire

resulta necesario establecer como se modifican los parmetros en funcin del ndice de exceso.

Si se considera un exceso de aire de valor ee , se tendrn las siguientes relaciones:

ApeApe : Aire en peso con exceso.


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ApeApe : Aire en peso con exceso. ApeApe = Aop + (e e -1).Aop = ee . Aop (kg/kgcomb). AveAve : Aire en volumen con exceso. AveAve = Aov + (e e -1).Aov = ee . Aov (Nm3/kgcomb). GspeGspe : Gases secos en peso con exceso. GspeGspe = Gsp + (ee-1).Aop (kg/kgcomb).

Combustin con exceso de aire GsveGsve : Gases secos en volumen con exceso. GsveGsve = Gsv + (ee -1).Aov (Nm3/kgcomb).

Los gases hmedos nono varan con el exceso de aire.


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Anlisis de los gases de combustin. El anlisis de los gases producto de una combustin

puede dar una idea aproximada pero bastante til a los efectos prcticos de la eficiencia con que se est llevando a cabo el proceso.

A tal efecto y, para establecer la composicin de los productos, se utilizan analizadores de gases de los


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productos, se utilizan analizadores de gases de los cuales uno de los de ms amplia aplicacin es el denominado aparato de ORSAT.

Este equipo trabaja sobre la composicin de los gases secosgases secos;su principio de medicin es volumtricovolumtrico y permite establecer los porcentajes de COCO22;OO22 y COCO existentes en los productos de combustin.

Anlisis de los gases de combustin. Aparato de ORSAT


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Anlisis de los gases de combustin De acuerdo a las consideraciones anteriores se

tendr que el % de COel % de CO22 diludo en el volumen dediludo en el volumen degases secosgases secos producto de la combustin estar dado por la siguiente relacin:

% CO% CO22 = ( 1,86 . cc / Gsve ) . 100. De la expresin anterior puede inferirse que:


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De la expresin anterior puede inferirse que: 1.1.-- Dado que Gsv < Gsve , el porcentaje mximo deporcentaje mximo de

COCO22, para una combustin completa , se verifica cuando la misma se realiza con el aireaireestequeomtricoestequeomtrico.

2. 2. -- Existir un %CO%CO22mxmx. para cada composicincomposicinelementalelemental de un dado combustible.

Anlisis de los gases de combustin 3.3.-- A medida que aumenta el exceso de aire aumenta

tambin el valor de Gsve por lo que disminuye el % CO2 diludo en los gases producto de la combustin.

Relacin entre porcentajes de CORelacin entre porcentajes de CO22 y exceso de y exceso de aire.aire.

Partiendo de: %CO2mx. = (1,86.c/Gsv).100


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Partiendo de: %CO2mx. = (1,86.c/Gsv).100 % CO2e = (1,86.c/Gsve).100

%CO2 / %CO2e =(1,86.c/Gsv).100//(1,86.c/Gsve).100 %CO2 / %CO2e = Gsve / / Gsv = Gsv + Aov(e -1)//Gsv %CO2 / %CO2e = 1 + Aov/Gsv (e -1)

Anlisis de los gases de combustin (%CO2mx. // %CO2e - 1) = Aov // Gsv . ( e - 1) Considerando que : % e = ( e - 1) . 100 y admitiendo

que Aov = Gsv ( en trminos de valores) se tiene que: ( CO( CO22mx. / %COmx. / %CO22e e -- 1).100 = ( e 1).100 = ( e -- 1) .100 = %e1) .100 = %e La expresin anterior indica que conociendo el

%CO2mx. para un combustible dado y,


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%CO2mx. para un combustible dado y, determinando el %CO2 para una combustin particular, puede obtenerse el exceso de aire con que se est operando la misma.

El %CO2mx puede determinarse analticamente conociendo la composicin elemental del combustible.

El %CO2e puede medirse con un analizador de gases.

Diagrama de la combustin Tringulo de OSTWALD. Este diagrama permite, a travs de su trazado

original,conocer las caractersticas de la combustin de un determinado combustible a partir de los datos obtenidos en el anlisis de los gases producto.

Para su trazado es necesario conocer la


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Para su trazado es necesario conocer la composicin elemental del combustible, existiendo un diagrama vlido para cada composicin dada un diagrama vlido para cada composicin dada de un determinado combustible.de un determinado combustible.

Para el trazado del diagrama debern tenerse en cuenta algunas ecuaciones de la combustin en lo que hace a las relaciones volumtricas.

Diagrama de la combustin Tringulo de OSTWALD. Ecuaciones de la combustin completaEcuaciones de la combustin completa Partiendo de: GsveGsve= 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + 0,79.Aov + (e -1).Aov De acuerdo a las relaciones volumtricas aire-oxgeno

se tiene que: Aov=4,76.Oov , reemplazando:


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se tiene que: Aov=4,76.Oov , reemplazando: GsveGsve= 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + 0,79.4,76.Oov + (e -

1).4,76.Oov 3,76 GsveGsve= 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + 3,76.Oov + 4,76.e.Oov

-4,76.Oov .Operando: GsveGsve= 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + 4,76.e.Oov -Oov

Diagrama de la combustin Tringulo de OSTWALD Ecuaciones de la combustin completaEcuaciones de la combustin completa Finalmente: GsveGsve= 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + Oov ( 4,76.e 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + Oov ( 4,76.e --1)1) Sabemos que: %CO2=(1,86.c/Gsve).100 %O libre=(Oov(e -1)/Gsve).100


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%O2libre=(Oov(e -1)/Gsve).100 %CO%CO22== 1,86.c 1,86.c .100.100 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + Oov ( 4,76.e 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + Oov ( 4,76.e --1)1)

%O%O22librelibre == Oov ( e Oov ( e -- 1) .1) .100100 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + Oov ( 4,76.e 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + Oov ( 4,76.e --1)1)

Diagrama de la combustin Tringulo de OSTWALD

Ecuaciones de la combustin imperfectaEcuaciones de la combustin imperfecta Partiendo de las relaciones en la obtencin de CO

como producto de la combustin, se tiene: C + 1/2O2 CO 16


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16 12 La relacin en peso carbono-oxgeno

es: 16/12=1,33. Es decir que para la combustin parcial del carbono (obtencin de CO ) se necesitan 1,33 kg de O2 por cada kg de C. Considerando que el peso especfico del O2 es 1,43kg/Nm3 , se tendr:

Diagrama de la combustin Tringulo de OSTWALD Ecuaciones de la combustin imperfectaEcuaciones de la combustin imperfecta 1,33/1.43=0,93 Nm3/kgcomb , de acuerdo a esto se

tiene: Oov (co) =0,93.cc + 5,6 (hh-oo/8) + 0,7.ss (Nm3/kgcomb) Ser entonces:


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Ser entonces: Gsve(co)=1,86.c.c + 0,7.s.s + 0,8.n.n + 4,76.e.Oov-Oov Finalmente las ecuaciones para la combustin

imperfecta quedarn:

Diagrama de la combustin Tringulo de OSTWALD Ecuaciones de la combustin imperfectaEcuaciones de la combustin imperfecta %CO%CO== 1,86.c 1,86.c .100.100 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + 4,76.e.Oov 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + 4,76.e.Oov --OovcoOovco

%O%O22librelibre == Oov .e Oov .e -- Oovco .Oovco .100100


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%O%O22librelibre == Oov .e Oov .e -- Oovco .Oovco .100100 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n +4,76.e. Oov 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n +4,76.e. Oov --OovcoOovco

OovcoOovco = 0,93.c + 5,6 (h= 0,93.c + 5,6 (h-- o/8) + 0,7.s (Nmo/8) + 0,7.s (Nm33/kg comb)/kg comb)

Diagrama de la combustin Tringulo de OSTWALD Adems de las ecuaciones anteriormente

consideradas se deber tener en cuenta que: % CO2mx. = 1,86.c .100 Gsv Por lo tanto:


usuario@dominio

Por lo tanto: % CO2mx. = 1,86.c . 100 1,86.c + 0,7.s + 0,8.n + 0,79.Aov

Diagrama de la combustin Tringulo de OstwaldCO2

Comb Completa

Co = mx

e = cte

Co = cte


usuario@dominioO 21%

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