Resumen Unidad 1 cengel

INSTITUTO TECNOLOGICO SUPERIOR DE POZA RICA

RESUMEN UNIDAD 1 COMBUSTIBLES Y COMBUSTION

ING. GUADALUPE DIANTES JEREZ

MAQUINAS Y EQUIPOS TERMICOS 1

EMMA YESSENIA SALAS SANTOS

INGENIERIA ELECTROMECANICA 6 “A” 27/FEBRERO/2015

Unidad 1. Combustibles y Combustión 1.1 Combustibles Cualquier material que puede quemarse para liberar energía recibe el nombre de combustible. Un combustible es cualquier sustancia que causa una reacción con el oxígeno de forma violenta. Una reacción química durante la cual se oxida un combustible y se libera una gran cantidad de energía recibe el nombre de combustión. La mayoría de los combustibles conocidos se componen principalmente de hidrógeno y carbono. Reciben el nombre de combustibles hidrocarburos y se denotan por la fórmula general CnHm. Los combustibles hidrocarburos existen en todas las fases, y algunos son el carbón, la gasolina y el gas natural. Una reacción química durante la cual se oxida un combustible y se libera una gran cantidad de energía recibe el nombre de combustión. El oxidante empleado con mayor frecuencia en los procesos de combustión es el aire, por obvias razones (es gratis y se consigue fácilmente). El oxígeno puro O2, se emplea como oxidante sólo en algunas aplicaciones especializadas, como el corte y la soldadura, donde no se puede utilizar aire. En consecuencia, son pertinentes unas cuantas palabras acerca de la composición del aire. Es la combustión del oxígeno del aire con los elementos componentes del combustible y un medio para hacerlo (energía de activación). La mayoría de los combustibles conocidos se componen principalmente de

H2

y C, reciben el nombre de combustibles hidrocarburos y se denotan por la formula Cm H m general . Los combustibles hidrocarburos existen en todas las fases u algunos son el carbón, la gasolina y el gas natural. Triangulo del fuego o de combustión combustible Combustible

Energía de activación

Comburente (oxigeno)

En una base molar o de volumen, el aire seco está compuesto por 20.9 por ciento de oxígeno, 78.1 por ciento de nitrógeno, 0.9 por ciento de argón y pequeñas cantidades de dióxido de carbono, helio, neón e hidrógeno. Por consiguiente, cada mol de oxígeno que entra a una cámara de combustión será acompañado por 0.79/0.21 _ 3.76 mol de nitrógeno (Fig. 15-3). Durante la combustión, el nitrógeno se comporta como un gas inerte y no reacciona con otros elementos químicos más que para formar una pequeña cantidad de óxidos nítricos. El aire que entra a una cámara de combustión contiene algo de vapor de agua (o humedad), que también es digno de consideración. En casi todos los procesos de combustión, la humedad en el aire y el agua que se forma durante la combustión puede tratarse como un gas inerte, como nitrógeno. Durante un proceso de combustión los componentes que existen antes de la reacción reciben el nombre de reactivos, y los componentes que existen después de la reacción se denominan productos (Fig. 15-4).

Una cantidad utilizada frecuentemente en el análisis de procesos de combustión para cuantificar las cantidades de combustible y aire es la relación aire combustible, AC. Suele expresarse en una base de masa y se define como la relación entre la masa del aire y la masa de combustible en un proceso de combustión (Fig. 15-6). Es decir, maire AC = mcombustible

La masa m de una sustancia se relaciona con el número de moles N por medio de la relación m= NM, donde M es la masa molar.

1.2 Procesos de Combustión teóricos y reales Un proceso de combustión está completo si todo el carbono en el combustible se H2O transforma en CO2, todo el hidrógeno se transforma en y todo el azufre (si lo hay) se transforma en

SO 2

.

Esto es, si todos los componentes combustibles de un combustible se queman totalmente durante un proceso de combustión completa (Fig. 15-8). Por el contrario, un proceso de combustión es incompleto si los productos de combustión contienen algo de combustible o componentes no quemados, como C , H 2 ,CO , o bien, OH .

El oxígeno insuficiente es una razón obvia para la combustión incompleta, pero no la única. La combustión incompleta sucede incluso cuando en la cámara de combustión hay más oxígeno del necesario para la combustión completa.

Esto puede atribuirse a la mezcla insuficiente en la cámara de combustión durante el limitado tiempo en que el oxígeno y el combustible quedan en contacto. La cantidad mínima de aire necesaria para la combustión completa de un combustible recibe el nombre de aire estequiométrico o teórico.

De manera que cuando un combustible se quema por completo con aire teórico, no estará presente el oxígeno sin combinar el producto de los gases. El aire teórico también se conoce como cantidad de aire químicamente correcta o aire 100 por ciento teórico. Un proceso de combustión con menos cantidad teórica de aire está condenado a ser incompleto. La cantidad de aire en exceso de la cantidad estequiométrica se llama exceso de aire. La cantidad de exceso de aire suele expresarse en términos del aire estequiométrico como exceso de aire porcentual o aire teórico porcentual. Cantidades de aire menores que la cantidad estequiométrica reciben el nombre de deficiencia de aire, y se expresan a menudo como deficiencia de aire porcentual. Por ejemplo ,90 por ciento de aire teórico equivale a 10 por ciento de deficiencia de aire. La cantidad de aire utilizado en procesos de combustión se expresa también en términos de la relación de equivalencia, la cual es la proporción entre la relación real combustible-aire y la relación estequiométrica combustible-aire.

1.3 Entalpia de formación y combustión

Las moléculas de un sistema poseen energía en diversas formas, como la energía sensible y la latente (asociadas a un cambio de estado), la energía química (relativa a la estructura molecular) y la energía nuclear (vinculada con la estructura atómica), como se ilustra en la figura 15-14.

Por lo tanto, un proceso que implica reacciones químicas implicará cambios en las energías químicas, los cuales deben tomarse en cuenta en un balance de energía. Si se supone que los átomos de cada reactivo permanecen intactos (sin reacciones nucleares) y se ignora cualquier cambio en las energías cinética y potencial, el cambio de energía de un sistema durante una reacción química se deberá a un cambio en el estado, y a un cambio en la composición química. Es decir, ∆ E sis=∆ Eestado + ∆ Equimica Por consiguiente, cuando los productos formados durante una reacción química salen de la cámara de reacción en el estado de entrada de los reactivos, ∆ E estado=0 se tiene y, en este caso, el cambio de energía del sistema se debe tan sólo a los cambios de su composición química. El estado de referencia elegido es 25°C (77°F) y 1 atm, que se conoce como estado de referencia estándar. Los valores de las propiedades en el estado de referencia estándar se indican mediante un superíndice (°) (como h° y u°). La entalpía de gas ideal de N2 a 500 K relativo al estado de referencia estándar, h´ 500 K −h´°=14581−8669=5912 kJ /kmol . por ejemplo, es Considere la formación de CO2 a partir de sus elementos, carbono y oxígeno, durante un proceso de combustión de flujo estable (Fig. 15-16). Tanto el carbono como el oxígeno entran a la cámara de combustión a 25°C y 1 atm. El CO2 formado durante este proceso abandona también la cámara de combustión a 25°C y 1 atm. La combustión de carbono es una reacción exotérmica (una reacción durante la cual la energía química se libera en forma de calor). El proceso que acaba de describirse no incluye interacciones de trabajo. De este modo, de acuerdo con la relación de balance de energía para flujo estable, la transferencia de calor durante este proceso debe ser igual a la diferencia entre la entalpía de los productos y la entalpía de los reactivos. Es decir,

∏ ¿−H react =−393 520 kJ /kmol Q=H ¿

Este cambio de entalpía será distinto para diferentes reacciones, y sería deseable tener una propiedad que representara los cambios en la energía química durante hR una reacción. Esta propiedad es la entalpía de reacción , que se define como la diferencia entre la entalpía de los productos en un estado específico y la entalpía de los reactivos en el mismo estado para una reacción completa. En los procesos de combustión, la entalpía de reacción suele conocerse como hC la entalpía de combustión , la cual representa la cantidad de calor liberado durante un proceso de combustión de flujo estable cuando 1 kmol (o 1 Kg) de combustible se quema por completo a una temperatura y presión especificadas. Esto se expresa así:

∏ ¿−H react h R =hC =H ¿

1.4 Poderes caloríficos inferior y superior

El PCI (poder calorífico inferior) es el calor de la combustión que no aprovecha la energía de condensación del agua. El PCS (poder calorífico superior ) aprovecha esta energía y por tanto, con la misma cantidad de combustible, se genera más calor. Para aprovechar el PCS son necesarias calderas específicamente diseñadas para ello, son lo que se denomina, calderas de condensación. Una caldera que no sea de condensación, se debe calcular con el PCI. Entrando más en detalle, el calor de cambio de estado es la energía requerida por una sustancia para cambiar de fase, de sólido a líquido (calor de fusión) o de líquido a gaseoso (calor de vaporización). Al cambiar de gaseoso a líquido y de

líquido a sólido se libera la misma cantidad de energía. La mayoría de los combustibles usuales son compuestos de carbono e hidrógeno, que al arder se combinan con el oxígeno formando dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) respectivamente. El agua tiene un calor de vaporización alto ya que, para romper los puentes de hidrógeno que enlazan las moléculas, es necesario suministrar mucha energía; también tiene un calor de fusión alto. Esta propiedad es aprovechada tanto para enfriar como para calentar. El principio de funcionamiento del botijo es este, el agua que se evapora a través de los poros del botijo absorbe el calor del resto del agua almacenada provocando que esta se enfríe. A la inversa, al pasar de gas a líquido y condensar el agua, esta pierde energía que cede al medio, calentándolo. Este es el principio de las calderas de condensación. El poder calorífico inferior, PCI, es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua de la combustión, ya que no se produce cambio de fase, sino que se expulsa en forma de vapor. El poder calorífico superior, PCS, es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa del combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado. Así pues, se contabiliza el calor desprendido en este cambio de fase. También es llamado poder calórico neto.

1.5 Análisis de la primera ley de sistemas reactivos Los sistemas químicamente reactivos implican cambios en su energía química y, en consecuencia, resulta más conveniente reescribir las relaciones de balance y energía en forma tal que los cambios en las energías químicas se expresen de modo explícito. Primero para sistemas de flujo estable, y luego para sistemas cerrados.

Sistemas de flujo estable Antes de escribir la relación del balance de energía, es necesario expresar la entalpía de un componente en una forma adecuada para usarla en sistemas reactivos. Es decir, se necesita expresar la entalpía tal como es relativa al estado de referencia estándar y al término de la energía química que aparece explícitamente. Cuando se expresa de manera adecuada, el término entalpía debe ´ reducirse a la entalpía de formación h ° f en el estado de referencia estándar. Con esto en mente, se expresa la entalpía de un componente por unidad de mol como ´ f + ( h− ´ h´° ) kJ /kmol Entalpia= h° Cuando los cambios de energías cinética y potencial son insignificantes, ´ ´ la relación de balance de energía para un sistema de flujo estable Eentrada = Esalida se puede expresar para un sistema de flujo estable químicamente reactivo más explícitamente como

Donde

n´ p

y

n´ r

representan las relaciones de flujo molares del producto p y

el reactivo r, respectivamente. En el análisis de combustión conviene más trabajar con cantidades expresadas por mol de combustible. Tal relación se obtiene al dividir cada término de la ecuación anterior entre la relación de flujo molar del combustible, produciendo

Donde

Nr

y

Np

representan el número de moles del reactivo r y el producto

p, respectivamente, por mol de combustible. Observe que combustible, y que los otros valores de

Nr

y

NP

N r =1

para el

pueden sacarse

directamente de la ecuación de combustión balanceada. Considerando la

transferencia de calor hacia el sistema y el trabajo realizado por el sistema como cantidades positivas, la relación de balance de energía anterior se expresa de una manera más compacta como

o como

Donde

Una cámara de combustión generalmente involucra salida de calor pero no entrada de calor. Entonces el balance de energía para un proceso típico de combustión de flujo estable se convierte en

Sistemas cerrados La relación general de balance de energía para un sistema cerrado Eentrada −Esalida =∆ E sistema se expresa para un sistema cerrado químicamente reactivo estacionario como

1.7 Temperatura de flama adiabática

En ausencia de cualquier interacción de trabajo y cambios cualesquiera en las energías cinética y potencial, la energía química liberada durante un proceso de combustión se pierde como calor hacia los alrededores o se usa internamente para elevar la temperatura de los productos de combustión. Cuanto más pequeña es la pérdida de calor, tanto mayor resulta el aumento de la temperatura. En el caso límite en que no haya pérdida de calor hacia los alrededores (Q = 0), la temperatura de los productos alcanzará un máximo, conocido como temperatura de flama adiabática o de combustión adiabática de la reacción (Fig. 15-25).

La temperatura de flama adiabática de un proceso de combustión de flujo estable se determina de la ecuación 15-11 al establecer Q = 0 y W =0. Esto produce

En las cámaras de combustión, la temperatura más alta a la que un material puede exponerse está limitada por consideraciones metalúrgicas. Por consiguiente, la temperatura de flama adiabática es una consideración importante en el diseño de las cámaras de combustión, de las turbinas de gas y de toberas. Las máximas temperaturas de estos dispositivos son bastante menores que la temperatura de flama adiabática; sin embargo, puesto que la combustión suele ser incompleta, se presentan algunas pérdidas de calor y algunos gases de combustión se disocian a altas temperaturas (Fig. 15-26).

1.8 Análisis de Segunda Ley de Sistemas Reactivos Una vez que se evalúa el cambio de entropía total o la generación de entropía, X destruida la exergía destruida asociada con una reacción química puede determinarse de:

Cuando se analizan sistemas reactivos se tiene más interés por los cambios en la exergía de los sistemas reactivos que en los valores de exergía en varios W rev estados (Fig. 15-30). Recuerde del capítulo 8 que el trabajo reversible representa el trabajo máximo que puede efectuarse durante un proceso.

1.9 Influencia de las condiciones atmosféricas Describiremos como se ve afectado un motor de combustión interna de aspiración natural (sin turbo) por varios parámetros ambientales o topográficos como son la densidad del aire, altitud, temperatura del aire y la humedad . La densidad del aire: Con una densidad del aire baja (poca concentración de oxigeno), un motor funcionaria con una relación aire / combustible rica, ya que la cantidad de aire suministrada a las cámaras de

combustión seria poca para el volumen de combustible entregado, al contrario ocurriría con una densidad de aire alta, la cantidad de ésta seria mucha para la cantidad de combustible suministrado, mezcla aire/combustible pobre. Temperatura ambiente: La temperatura incide directamente en la densidad del aire, cuando ésta aumenta, la densidad del aire disminuye, con bajas temperaturas la densidad aumenta. Humedad: Cuando la humedad del ambiente se incrementa el octanaje requerido para el buen funcionamiento del motor disminuye, por cada gramo de agua que se le agregue a un kilogramo de aire seco, el octanaje requerido para el buen funcionamiento del motor decrece de 0.25 a 0.35. Altitud (presión atmosférica): Por ejemplo al ir ascendiendo por una ruta de montaña, mientras más aumentemos nuestra altura sobre el nivel del mar menor será la densidad del aire. Los motores Diesel de aspiración natural (sin turbo) pierden un 10% de potencia por cada 1000 mts. Que asciendan sobre el nivel del mar, en el caso de los motores de gasolina el requerimiento de octano necesario para el motor decrece de uno a dos octanos por cada 1000 mts de ascenso sobre el nivel del mar, esto último producto de la escasez de aire y la disminución de la presión de combustión, y por ende la disminución de la potencia efectiva del motor.

1.10 Análisis de los productos de la combustión ¿Qué son los gases de la combustión? El incremento de todo tipo de combustión es un agente contaminante del ambiente con concentraciones siempre mayores de polución. La formación de humos, la lluvia ácida y el aumento del número de alergias son consecuencias directas de este desarrollo. La solución para una producción de energía que no perjudique el

medio ambiente debe, por lo tanto, suponer una reducción de las emisiones contaminantes. Los contaminantes en los gases de combustión sólo pueden reducirse eficazmente si las plantas existentes operan con el máximo rendimiento posible o si se cierran las calderas nocivas. El análisis de los gases de la combustión ofrece un medio para determinar las concentraciones de contaminantes y para ajustar al máximo rendimiento las instalaciones de calor.

Componentes de los gases de la combustión Oxígeno (O2) El oxígeno restante no utilizado en la combustión en el caso de utilizar aire en exceso aparece como componente de los gases de combustión y se utiliza para medir el rendimiento de la combustión. Se utiliza para determinar las pérdidas por chimenea y el contenido de dióxido de carbono. Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil: 2% - 5% Calderas de gas: 2% - 6%

Dióxido de carbono (CO2) El dióxido de carbono es un gas incoloro e inodoro con un ligero sabor agrio. Bajo la influencia de la luz solar y el verde de las hojas, la clorofila, las plantas convierten el dióxido de carbono (CO2) en oxígeno (O2). La respiración humana y animal convierte el oxígeno (O2) otra vez en dióxido de carbono (CO 2). Esto crea un equilibrio que los productos gaseosos de la combustión distorcionan. Esta distorción acelera el efecto invernadero. El valor límite de efecto es de 5000 ppm. A concentraciones superiores al 15% en volumen (150.000 ppm) en la respiración, se produce una inmediata pérdida de consciencia. Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil: 12,5 % - 14 % Calderas de gas: 8 % - 11 % Monóxido de carbono (CO) El monóxido de carbono es un gas venenoso al respirar, incoloro, inodoro y es el producto de una combustión incompleta. En concentración demasiado alta, no permite que la sangre absorba oxígeno. Si, por ejemplo, el aire de una habitación es de 700 ppm de CO, una persona respirandolo durante 3 horas morirá. El valor límite es de 50 ppm.

Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil: 80 ppm - 150 ppm Calderas de gas: 80 ppm - 100 ppm Nitrógeno (N2) El nitrógeno (N2) es el principal componente (79% en vol.) del aire que respiramos. Este gas incoloro, inodoro, y sin sabor no interviene en la combustión. Entra en la caldera como un lastre, se calienta y sale por la chimenea. Valores típicos en los gases de combustión: Calderas gasoil/gas: 78 % - 80 %

Óxidos de nitrógeno (NOX) A altas temperaturas (combustión), el nitrógeno (N 2) presente en el combustible y en el aire ambiente se combina con el oxígeno del aire (O 2) y forma el monóxido de nitrógeno (NO). Después de algún tiempo, este gas incoloro se oxida en combinación con el oxígeno (O2) para formar dióxido de nitrógeno (NO2). El NO2 es soluble en agua, tóxico si se respira (produce daños reversibles en el pulmón) y contribuye a la formación del ozono en combinación con la radiación ultravioleta (luz solar). El NO y NO2en conjunto se llama óxidos de nitrógeno (NOx). Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil/gas: 50 ppm - 100 ppm Dióxido de azufre (SO2) El dióxido de azufre (SO2) es un gas tóxico incolor con un olor fuerte. Se forma a partir del azufre del combustible. El valor límite es de 5 ppm. El ácido sulfúrico (H2SO4) se forma en combinación con agua (H2O) ó condensados. Valores típicos en los gases de combustión: Calderas de gasoil: 180 ppm -220 ppm

1.11 Normas de control de contaminación ambiental NORMA Oficial Mexicana NOM-085-SEMARNAT-2011, Contaminación atmosférica-Niveles máximos permisibles de emisión de los equipos de combustión de calentamiento indirecto y su medición.

NORMA Oficial Mexicana NOM-CCAT-019-ECOL/1993 (NE), Contaminación atmosférica - fuentes fijas - niveles máximos permisibles de emisión a la atmósfera de partículas (PST), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOX), óxidos de azufre (SOX) y humo, así como los requisitos y condiciones para la operación de los equipos de combustión de calentamiento indirecto utilizados en las fuentes fijas, que usan combustibles fósiles líquidos y gaseosos o cualquiera de sus combinaciones La contaminación del aire por las calderas es perjudicial Las calderas industriales emiten más de 20 contaminantes tóxicos al aire lo cual tiene consecuencias serias en la salud de los mexicanos. - El mercurio y el plomo son perjudiciales para el cerebro de los niños ya que la exposición puede conducir a problemas de desarrollo y dificultades de aprendizaje. -El arsénico y el cromo causan cáncer. - El benceno es tóxico para el sistema inmunológico, causa problemas circulatorios y reproductivos, además de causar parálisis respiratoria, y hasta la muerte. –El ácido cianhídrico causa daños en los pulmones, el corazón y el sistema nervioso central. -Las partículas finas penetran los pulmones profundamente y causan derrames cerebrales, ataques cardiacos y muertes prematuras.