TCCO
José Luis Hernández Quisbert
Temas Selectos de Ingeniería Térmica
José Luis Hernández Quisbert 2014
Editorial 2014 1ª edición ISBN: Impreso en Bolivia / Printed in Bolivia Impreso por
Índice Prefacio .................................................................................................................................... 1 LISTADO DE TABLAS ..................................................................................................... 3 LISTADO DE FIGURAS ................................................................................................. 5 LISTADO DE REFERENCIAS .................................................................................. 11 1.
2.
Combustibles y Combustión ................................................................................ 13 1.1.
La naturaleza de la Combustión ....................................................... 13
1.1.
Propiedades Físico - Químicas de los Combustibles ...................... 30
1.1.1.
Propiedades de los Combustibles Sólidos ................................... 30
1.1.2.
Propiedades de los Combustibles Líquidos............................. 33
1.1.3.
Octanaje y Cetanaje de los Combustibles ................................ 45
1.1.4.
Propiedades de los Combustibles Gaseosos ............................ 50
1.2.
Combustión Estequiométrica ........................................................... 54
1.3.
Combustión con Exceso y Defecto de Aire ..................................... 57
Termodinámica de la Combustión..................................................................... 63 2.1.
Calor de Combustión ......................................................................... 63
2.2.
Primera Ley aplicada al Proceso de Combustión ............................ 69
2.3.
Entalpía de Formación ...................................................................... 70
2.4.
Poder Calorífico Superior de un Combustible ................................. 73
2.5.
Poder Calorífico Inferior de un Combustible .................................. 79
2.6.
Temperatura de Flama Adiabática ................................................... 84
2.7.
Influencia de la Altitud en la Combustión ....................................... 89
3.
4.
Contaminación Ambiental por Efecto de la Combustión ........................... 99 3.1.
Contaminación Industrial ............................................................... 107
3.2.
Analizadores de Gases de Emisión ................................................. 119
3.3.
Limpieza de Gases Industriales ...................................................... 128
Quemadores ............................................................................................................133 4.1.
Quemadores de Combustibles Gaseosos ....................................... 133
4.1.1.
Clasificación de los Quemadores ............................................ 135
4.1.2.
Parámetros de Diseño de un Quemador Atmosférico........... 138
4.1.4.
Geometría del Quemador Atmosférico................................... 147
4.2.
Diseño de Quemadores de Tiro Forzado ....................................... 152
4.2.1. 4.3.
Determinación del diámetro del Inyector .............................. 154
Ventiladores y Turbosopladores de Quemadores ......................... 155
4.3.1.
Clasificación de Ventiladores .................................................. 160
4.3.2.
Potencia de un Ventilador ....................................................... 161
4.3.3.
Medición de la Presión y Velocidad en un Ventilador .......... 163
4.3.4.
Potencia requerida de un Ventilador ...................................... 165
4.4.
Quemadores de Combustibles Líquidos ........................................ 165
4.4.1.
Quemadores de Vaporización o Gasificación ........................ 166
4.4.2.
Quemadores de Emulsión ....................................................... 167
4.4.3.
Quemadores de Pulverización por Fluido Auxiliar ............... 168
4.4.4.
Quemador de Pulverización Mecánica Centrífugo ............... 169
4.4.5.
Quemadores Pulverización Mecánica por Presión Directa .. 170
4.5.
Quemadores de Combustibles Sólidos ........................................... 175
4.5.1.
Quemador de Sólidos con Alimentación Inferior .................. 177
4.5.2.
Quemador de Sólidos con Alimentación Superior ................ 177
4.5.3.
Quemadores de Sólidos con Parrilla Móvil ............................ 178
4.6. 5.
Generadores de Vapor .......................................................................................... 187 5.3.
6.
Sistemas de Encendido y Seguridad de Quemadores................... 179 Cálculos de un Generador de Vapor ............................................... 197
5.3.1.
Capacidad Nominal de una Caldera Pirotubular .................. 197
5.3.2.
Equivalente de Vaporización .................................................. 198
5.3.3.
Factor de Vaporización ........................................................... 198
5.4.
Superficie de Calentamiento ........................................................... 198
5.5.
Cálculos de Eficiencia ..................................................................... 200
5.6.
Diseño de Calderos Pirotubulares .................................................. 202
5.6.1.
Parámetros de diseño de Calderos Pirotubulares .................. 202
5.6.2.
Requerimientos de espesor Calderos Pirotubulares.............. 203
5.6.3.
Materiales de Calderos Pirotubulares..................................... 211
5.7.
Uso de Software FIRECAD ............................................................ 211
5.8.
Calderos Acuotubulares .................................................................. 224
5.9.
Código ASME para calderos ........................................................... 232
Tratamiento de Agua para Calderos ................................................................ 237 6.1.
Características Físico-químicas del Agua de Alimentación ......... 242
6.2.
Ablandadores por Intercambio Iónico ........................................... 244
6.3.
Alcalinidad - acidez del Agua ......................................................... 247
6.4.
Concentración de sólidos totales disueltos y en suspensión ........ 248
7.
8.
9.
6.5.
Diseño de Ablandadores.................................................................. 249
6.6.
Mantenimiento de Generadores de Vapor ..................................... 251
6.7.
Atención de Emergencias en Calderas ........................................... 254
Distribución del Vapor .........................................................................................257 7.1.
Calidad y Calorímetros de Vapor .................................................... 257
7.2.
Tuberías de Vapor y su Dimensionamiento .................................. 263
7.3.
Línea Principal y Drenaje ................................................................ 282
7.4.
Medición de la Demanda de Vapor ................................................ 289
7.5.
Trampas de Vapor y Accesorios ..................................................... 295
7.5.1.
Trampas de Vapor Termodinámicas ...................................... 295
7.5.2.
Trampas de Vapor Mecánicas de Flotador ............................ 297
7.5.3.
Trampa de Vapor de Cubeta Invertida ................................... 299
7.5.4.
Trampas de Vapor Termostáticas........................................... 300
7.5.6.
Separadores de Vapor .............................................................. 302
Carga Térmica de Calefacción de Ambientes ...............................................305 8.1.
Calefacción por Aire Caliente.......................................................... 322
8.2.
Calefacción por Agua Caliente ........................................................ 327
8.3.
Calefacción por Vapor ..................................................................... 337
8.4.
Calefacción por Suelo Radiante ...................................................... 343
8.5.
Uso de Software para Cargas Térmicas de Calefacción ................ 353
Sistemas de Calefacción de Agua Caliente Sanitaria ACS ........................357 9.2.
Sistemas Centrales ........................................................................... 368
9.3.
Cálculo de Diámetros de Tuberías de A.C.S. ................................. 374
10.
Sistemas de Calefacción de Piscinas ........................................................... 379
10.1.
Subsistema de Carga Térmica ........................................................ 380
10.2.
Subsistema Hidráulico .................................................................... 384
10.3.
Cálculo y Especificación de Componentes.................................... 386
11.
Diseño de Saunas Secos y Saunas a Vapor................................................ 393
11.1.
Sauna Seco........................................................................................ 394
11.1.1. 11.2.
Sauna a Vapor .................................................................................. 402
11.2.1 12.
Cálculos y especificación de componentes Sauna Seco ........ 395
Cálculo y Especificación de Componentes............................ 403
Hornos .................................................................................................................. 407
12.1.
Cálculo de los Aparatos de Caldeo y Cocción ............................... 408
12.1.1.
Horno de Fuego Directo ......................................................... 408
12.2.
Hornos de Secado de Madera ......................................................... 415
12.3.
Hornos Deshidratadores ................................................................. 430
12.4.
Hornos Eléctricos y Estufas ........................................................... 435
ANEXOS ............................................................................................................................ 447 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS .......................................................................... 461
Prefacio
Los Programas Académicos de Ingeniería Mecánica y Electromecánica de la Universidad Mayor de San Andrés tienen en sus Planes de Estudio la asignatura de Ingeniería Térmica, cuyo contenido mínimo comprende: Estudio de la Termodinámica de la Combustión y su Aplicación en Máquinas Térmicas de Combustión Interna y Externa, así como en otros procesos termomecánicos; Estudio del Proceso de la Combustión de Combustibles Sólidos, Líquidos y Gaseosos como Fuente de Calor; Emisión de Gases Producto de la Combustión y su Condición Contaminante; Diseño de Quemadores y sus Aplicaciones; Diseño, Operación y Mantenimiento de Equipos Generadores de Vapor; Tratamiento Físico-químico del Agua de Alimentación de Calderos; Diseño de Sistemas de Agua Caliente Sanitaria; Diseño de Sistemas de Calefacción. A la fecha, no existe un texto académico único o texto de aplicación, nacional o extranjero, que incluya la totalidad de los temas mencionados de manera gradual e integral y, tanto docente como estudiantes recurren de manera aislada a diferentes fuentes de información. En el entendido que “Producción Intelectual es toda creación en el campo científico, académico o literario, independientemente de su forma de expresión, que pueda materializarse por cualquier medio y que se realice en función de las necesidades institucionales”, se considera que la generación de un texto universitario, que incluya el estudio de temas selectos de Ingeniería Térmica, es una forma de satisfacer la necesidad planteada en el área térmica para la carrera de Ingeniería Mecánica y Electromecánica de la UMSA. 1
Las aplicaciones de la Ingeniería Térmica juegan un importante rol en equipos domésticos y de la Industria, así como en la preservación del medio ambiente, lo que contribuye al desarrollo sostenible de la sociedad moderna. En tal sentido, el presente Texto tiene por objeto mostrar al estudiante la transición efectiva de los conceptos adquiridos en Termodinámica, Transferencia de Calor y Mecánica de Fluidos en productos finales de componentes, equipos y sistemas termomecánicos. Los libros de texto universitario desempeñan un papel fundamental en la educación de la ingeniería, puesto que estructuran los procesos de enseñanza y aprendizaje, son fuente específica del contenido curricular y presentan una exposición organizada en una estructura de un cuerpo de conocimientos, además de un implícito estilo didáctico propio del autor. Las clases magistrales deben ser complementadas con un texto base que permita al estudiante una lectura detallada de la teoría y un uso de los ejercicios resueltos como material didáctico de apoyo. La bibliografía, tanto básica como complementaria, para la asignatura de Ingeniería Térmica es de origen extranjero y no presenta el contexto de las formas culturales y realidad nacional en la aplicación de la Ingeniería Térmica. La generación del presente texto universitario conlleva un trabajo de investigación, el cual pretende aportar a la mejora de los índices de producción intelectual de la carrera y de la universidad.
2
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
LISTADO DE TABLAS N°
Página
1.
Tabla de Concentración de Dióxido de Carbono en PPM
18
2.
Familias de Hidrocarburos Derivados del Petróleo
24
3.
Tabla de Poderes Caloríficos de Combustibles Líquidos
33
4.
Temperaturas de Inflamación y Auto ignición
35
5.
Propiedades de Combustibles Automotores
36
6.
Propiedades Típicas de los Fuelóleos
39
7.
Especificaciones de Gasolinas
41
8.
Especificaciones del Diésel ASTM D975
43
9.
Especificaciones ASTM de Combustibles de Turbinas de Aviación 44
10. Condiciones de Operación de Prueba de Octanaje
46
11. Octanaje de Diferentes Combustibles y Gasolinas
46
12. Condiciones de Operación de acuerdo a ASTMD613
49
13. Gases Combustibles según Familias
53
14. Composición del Aire Atmosférico Seco
55
15. Entalpías de Formación de Combustibles Comunes
70
16. Poderes Caloríficos
80
17. Gases con Efecto Invernadero
116
18. Emisiones de Escape de Motor a Gasolina
118
19. Emisiones de Escape en g/milla
118
20. Clasificación de Quemadores
135
21. Clasificación de Ventiladores
161
22. Dimensiones Referenciales de Calderos
203
23. Espesores mínimos de Carcasas y Tapas Tubulares
203
24. Unidades Equivalentes en Diferentes Sistemas
241
25. Capacidad Suavizadora de Ablandadores
251
26. Procedimientos de Emergencias en Calderas
254
27. Diámetros Diferentes Esquemas
268
3
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
28. Porción extractada del Anexo N° A
276
29. Porción extractada del Anexo N° B
276
30. Dimensiones Recomendadas de Drenajes
284
31. Actividad Metabólica
310
32. Resistencia Térmica de la Ropa
311
33. Coeficientes de Convección
317
34. Factores Suplementarios
318
35. Número de Renovaciones de Aire
319
36. Coeficientes de Transferencia de Calor
320
37. Factores de Pérdida 𝑘 para Accesorios de Ductos
326
38. Coeficientes Kr (Kcal/h m °C)
350
39. Pérdidas de Presión en Artefactos
353
40. Consumo de ACS por uso en Aparatos
363
41. Flujos de Consumo de ACS en Aparatos
364
42. Capacidad de Tanques Proveedores de ACS
371
43. Tabla de Factor de Diversidad para Unidades Habitacionales
375
44. Tabla de Coeficiente Transferencia de Calor Superficial - Piscinas
382
45. Pérdidas en Accesorios de 2”
387
46. Pérdidas por Fricción de Tuberías de Agua x cada 100’ de Tubería 388 47. Área óptima de Filtrado para Diferentes Tamaños de Bombas
389
48. Volumen de Sauna de Vapor vs Potencia Requerida
403
49. Factor de Corrección de Potencias de Saunas de Vapor
405
50. Programa de Secado de Madera
429
51. Resistividades Eléctricas de Diferentes Aleaciones
440
52. Tabla Estandarizada de Calibres de Alambre
443
4
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
LISTADO DE FIGURAS N°
Página
1.
Temperatura Media de Tierra y Océano 1901 a 2013
18
2.
Gráfica de Consumo Energía de Diversa Índole.
19
3.
Destilación Fraccionada del Petróleo
23
4.
Estructura Molecular de Componentes del Petróleo
27
5.
Porcentaje de Evaporado
37
6.
Cámara de Combustión como Volumen de Control
69
7.
Reactor de Flujo Continuo
72
8.
Cámara de Combustión como Volumen de Control
76
9.
Bomba Calorimétrica
82
10. Interpretación Gráfica de la Temperatura de Flama Adiabática
85
11. Cámara de Combustión Adiabática
87
12. Efecto de la Altitud en la Densidad del Aire
90
13. Cantidad Total Energía capaz de liberar x m3 de aire a diferentes alturas 92 14. Formación del Smog Fotoquímico
109
15. Situación Normal
110
16. Inversión Térmica
111
17. Analizador de Gases Orsat
120
18. Esquema de un Analizador de Gases por Rayos Infrarrojos
123
19. Comportamiento Gases Escape c/base en la relación Aire-combustible 126 20. Esquemas de Limpiadores de Gases de Combustión
129
21. Depurador Húmedo –Seco
131
22. Depurador Seco
132
23. Quemadores Atmosféricos y Quemadores de Aire Forzado
137
24. Quemador Atmosférico y sus Partes Constitutivas
138
25. Eficiencia del Quemador
140
26. Comportamiento de la Presión en un Quemador Atmosférico
141
27. Tipos de Flamas
142
5
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
28. Inyector Seccionado
144
29. Esquema Bernoulli
144
30. Coeficientes de Descarga
147
31. Geometría del Quemador Atmosférico
147
32. Partes Constitutivas de un Quemador de Tiro Forzado
152
33. Diagrama de Flujo de Operación de un Quemador de Tiro Forzado
153
34. Ventilador Centrífugo
155
35. Tipos de Ventiladores o Turbosopladores
160
36. Diagrama Presión vs. Volumen de un Ventilador
162
37. Medición de la Presión de un Ventilador
163
38. Partes Constitutivas de un Quemador de Combustibles Líquidos
165
39. Quemador de Vaporización: a) Llama Vertical b) Llama Horizontal
167
40. Quemadores de Emulsión a Baja Presión
168
41. Quemador de Pulverización Neumática a Baja Presión de Mezcla
169
42. Quemador de Pulverización Mecánica
170
43. Quemador de Pulverización Mecánica por Presión Directa
170
44. Esquema de la Bomba y Circuito de Combustible de un Quemador de
Fuelóleo modulante con una sola boquilla de pulverización.
171
45. Nomenclatura de Toberas
172
46. Ángulos de Pulverización de Toberas
173
47. Distribución del Aire
174
48. Cabeza de Combustión
175
49. Quemador de Biomasa de Alimentación Inferior con Tiro Forzado
177
50. Quemador de Biomasa de Alimentación Superior
177
51. Quemador de Biomasa de Parrilla Móvil
179
52. Chispero Piezoeléctrico
159
53. Chispero de Resistencia Eléctrica
180
54. Chispero Eléctrico de Salto de Chispa
181
55. Seguro Bimetálico de Encendido
182
56. Seguro de Encendido por Célula Fotoeléctrica
183
6
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
57. Seguro de Encendido por Célula Fotoconductora
183
58. Seguro de Encendido por Célula Fotoconductora
184
59. Reguladores de Presión
185
60. Esquema de Caldero de Fondo Seco
191
61. Esquema de Caldero de Fondo Húmedo
191
62. Sección de Caldero Pirotubular de 4 Pasos.
192
63. Subsistemas que comprenden un Caldero Pirotubular
193
64. Subsistema de Alimentación de Agua de un Caldero Pirotubular
195
65. Subsistema de Seguridad de un Caldero Pirotubular
196
66. Sección Transversal de Caldero Pirotubular
199
67. Gráfico Diámetro Cañón versus Potencia Entregada
205
68. Determinación del Radio de la Carcasa del Caldero
207
69. Arreglo Triangular de Tubos de Calderos
208
70. Paso entre Tubos de Calderos
209
71. Programa Firecad Formato de Admisión de Datos
212
72. Calderos Acuotubulares
224
73. Efecto Termosifón en Calderos Acuotubulares
225
74. Banco de Tubos Aletados de Caldero Acuotubular
226
75. Sección Convectiva Caldero Acuotubular
227
76. Caldero Acuotubular Longitudinal
228
77. Caldero Acuotubular de Tambor Cruzado
228
78. Caldero Stirling de Tubos Inclinados
229
79. Partes Constitutivas de un Caldero Acuotubular
230
80. Incrustaciones en Intercambiadores de Calor
240
81. Esquema Interno de un Ablandador de Agua
245
82. Esquema de un Ablandador y Tanque de Salmuera
246
83. Detalle Operacional de Válvulas
246
84. Diagrama T vs S Curva Isobárica
257
85. Calorímetro de Estrangulamiento
260
86. Gráfica de Proceso Isoentálpico en Calorímetro de Estrangulamiento
261
7
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
87. Calorímetro Eléctrico
262
88. Típica Instalación de Caldero y su Distribución
263
89. Presión de Vapor Saturado Seco vs Volumen Específico
265
90. Típica Estación de Válvula Reguladora de Presión
266
91. Caída de Presión en una Tubería
269
92. Carta de Moody en SI
272
93. Arreglo de Caldero e Intercambiador de Calor
274
94. Carta Dimensionamiento Tuberías Vapor - Método Caída de Presión
278
95. Monograma Dimensionamiento Tuberías Vapor - Método Velocidad
281
96. Instalación Típica de Tubería Principal
282
97. Salida a Trampa de Vapor demasiado Pequeña
283
98. Salida a Trampa de Vapor Amplia y Adecuada
284
99. Dimensionamiento de Salidas
284
100. Formación del Golpe de Ariete
285
101. Causas de Formación del Golpe de Ariete
286
102. Reducciones Típicas en Líneas de Vapor
286
103. Extensión de Ramales de Líneas de Vapor
287
104. Típica Instalación de Línea de Conexión Ramal y Drenaje
288
105. Ejemplo de Arreglo de Ramal Ascendente
289
106. Equipos de Medición de Flujo de Vapor
291
107. Depósito Calentador de Aceite Térmico con Vapor
292
108. Intercambiador de Calor de Flujo Continuo
294
109. Típico Perfil Temperatura en Intercambiador de Calor Flujo Continuo
294
110. Trampas Termodinámicas
296
111. Mecánicas de Flotador
297
112. Trampas de Cubeta Invertida
299
113. Trampas de Vapor Termostáticas
300
114. Trampa de Vapor Termostática Bimetálica
301
115. Separador de Vapor de Bafles
303
116. Disipación del Calor Humano
306
8
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
117. Diagramas de Confort para Invierno y Verano
312
118. Pérdidas de Calor en Ambientes Cerrados
314
119. Coeficiente de Transmisión Térmica de Pared de Ladrillos
315
120. Inmueble con 4 Cerramientos
319
121. Sistema de Calefacción Central por Aire Caliente
322
122. Típica Instalación de Calefacción por Agua Caliente
328
123. Elementos Emisores en Calefacción por Aire Caliente
329
124. Plano e Isométrico de Vivienda a Calentar
333
125. Porción extraída de Anexo 8.3.1
335
126. Sistema Monotubo
338
127. Sistema Bitubo
340
128. Suelo Radiante
343
129. Componentes Básicos del Sistema de Calefacción por Suelo Radiante
347
130. Detalle de Serpentín Continuo y en Espiral
347
131. Transmisión de Calor de un Suelo Radiante
349
132. Detalle del Suelo Radiante
352
133. Hoja Electrónica de Calefacción
355
134. Vista Interior y Esquema de Termotanque
358
135. Esquema Interno del Calefón Instantáneo
360
136. Esquema de Funcionamiento de Caldera Mixta para ACS y Calefacción 367 137. Detalles de Tanque Intermediario
369
138. Detalle de Montaje de Tanque Intermediario
370
139. Detalles de Distribución de Tuberías en Edificios
373
140. Nomograma de Diámetros de Tuberías
376
141. Esquema de una Red de Tuberías de Suministro de Agua Caliente
376
142. Pérdidas de Calor en Piscinas
380
143. Diagrama Típico de Montaje de Piscina
384
144. Instalación Típica de una Piscina Doméstica
386
145. Ejercicio de Pérdidas de Presión
387
146. Interior de Filtro de Arena
389
9
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
147. Detalle de Instalación de Componentes
390
148. Sauna Seco
394
149. Detalle de Cerramiento de Sauna Seco
395
150. Generador de Calor de Sauna a GLP o GN
398
151. Sistema de Control de Sauna Seco
401
152. Sauna a Vapor
402
153. Gráfica de Volumen de Sauna vs Potencia Requerida
404
154. Esquema de un Horno de Combustión
407
155. Balance de Energía de un Horno de Fuego Directo
408
156. Pérdidas por Conducción, Convección, Radiación, Circuito Equivalente 410 157. Pérdidas por Chimenea Gas Natural
412
158. Pérdidas por Chimenea Fuelóleo N° 2
412
159. Comportamiento de la Humedad en la Madera
418
160. Medidores Digitales de Humedad de Madera
419
161. Esquema Básico de un Horno de Secado de Madera
420
162. Apilado de Tablones para permitir el paso del Aire Secador
425
163. Interior de un Horno de Secado de Madera
428
164. Diagrama de Fases del Agua y Formas de Secado
431
165. Esquema Deshidratador de Túnel Continuo
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166. Hornos de Resistencias
436
167. Potencia Específica Máxima en Hornos
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LISTADO DE REFERENCIAS 1.
Prácticas del Laboratorio de Máquinas térmicas de la UNAM
2.
Según la grafía recomendada por el Diccionario Panhispánico de Dudas
3.
S. McAllister et al., Fundamentals of Combustion Processes
4.
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/barfor.html
5.
http://www.combustionindustrial.com/img/COMBUSTION_ALTURA_ ENE2008.pdf
6.
http://www.thefreelibrary.com/Field+testing+residential+fan-assisted+gasfired+furnaces--Part+II%3a...-a0201591031
7.
Estudio del Efecto de la Altitud sobre el Comportamiento de Motores de Combustión Interna. Magín Lapuerta et al. (e-mail:
[email protected])
8.
Luis Echarra Universidad de Navarra Población , ecología y ambiente
9.
http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001766/Temas/General/15_ Analisis Gases.htm
10. Fundamentos de Termodinámica Van Wylen&Sonttag 11. Grupo de ciencia y tecnología del gas. Universidad de Antioquia 12. Calentamiento Industrial Eléctrico y por Combustión Raúl H. Varetto 13. Descripción de Calderas y Generadores de Vapor. Abarca, Pedro. Chile 14. Prácticas del Laboratorio de Máquinas térmicas de la UNAM 15. PART PFT Requirements for Fire Tube Boilers ASME Code 16. http://bhelpssr.co.in/data/qly/ibr/ibrdoc/Regulation%20Web/regulation %20592.htm 17. Indian Boiler Regulation 18. Código ASME de Calderas Pirotubulares 19. Manual de Instrucciones Suavizadores de agua Calderos Clayton México 20. http://suratep.grupomide.com/ecapacitacion/presentaciones/guia/sec_guia.pdf
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21. Prácticas del Laboratorio de Máquinas térmicas de la UNAM 22. Quadri, Nestor (1993) Instalaciones de aire acondicionado y calefacción 23. Quadri, Nestor (2009) Sistemas de Calefacción por agua caliente 24. Wikipedia la Enciclopedia Libre 25. http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull21-3/art3.pdf 26. http://www.spa-pool.org/membersonly/PDFs/ANSI-APSP7_Fact_Sheet_Oct_2008.pdf 27. Design Considerations For Pools And Spas (Natatoriums) John W. Lund 28. http://es.wikipedia.org/wiki/Sauna 29. R. M. Palazón www.areadecalculo.com Una teoría de la Elaboración del Vidrio 30. Process furnaces, dryers and kilns Energy Management Series for Industry Commerce and Institutions 31. Heat and Air Requirements in the Kiln Drying of Woods C.A. Eckelman and J.L. Baker 32. Termodinámica para Ingenieros Merle C. Potter 33. The Importance of Fans in the Lumber Kiln Drying Process 34. Sita R. Warren H.A. Simons Ltd. Vancouver, CA http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion1.HornosIndustriales.2006.pdf
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CAPÍTULO 1 1.
Combustibles y Combustión
1.1. La naturaleza de la Combustión La combustión es un fenómeno tan comúnmente observado que difícilmente parece ser necesaria su definición. Desde un punto de vista científico, la combustión está sustentada por la cinética de la reacción química. El término combustión se utiliza para aquellas acciones en las cuales ocurre una rápida y gran conversión de energía química en energía sensible, es decir, un proceso de oxidación. Sin embargo, tal definición no es precisa; por ejemplo, la oxidación de las partes de un automóvil no se puede considerar como una combustión aunque haya un proceso de oxidación muy lento. Si se pulveriza el metal de un vehículo y se deja que se oxide en el medio ambiente, estas pequeñas partículas tendrán un proceso de oxidación mucho más rápido; esto se debe a que se está incrementando el área de contacto y por lo tanto también se está incrementando la tasa de reacción. Por lo expuesto, se puede definir el proceso de combustión como un proceso de oxidación, rapidísimo y exotérmico. A continuación se cita una ampliación en este ámbito: “La combustión es un proceso de oxidación mediante el cual una sustancia combustible libera su energía latente en forma de calor y luz al entrar en contacto con el elemento comburente; éste puede ser oxígeno puro o bien oxígeno que se toma de un compuesto químico, como el ácido nítrico o el perclorato de amoníaco.”1 Se define como combustible a toda sustancia que, cuando se la calienta, pasa por una reacción química con un oxidante (típicamente oxígeno en el 1
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aire) para liberar calor. Los combustibles son sustancias que pueden proporcionar energía calorífica para producir trabajo mecánico; según su estado, los combustibles se clasifican en sólidos, líquidos o gaseosos. Para que un combustible sea una fuente de energía, éste debe ser abundante y relativamente barato. Los combustibles pueden ser provenientes de fósiles o de biomasa. Los combustibles fósiles son no renovables mientras los biomásicos sí son renovables. Los combustibles fósiles comprenden el gas natural, los derivados del petróleo y el carbón mineral. Los combustibles de biomasa provienen principalmente de madera, residuos agrícolas y material orgánico. Los combustibles sólidos comprenden las distintas clases de carbón; éste puede ser de origen orgánico o inorgánico. Estos combustibles generalmente están constituidos por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, humedad y cenizas. Algunos de los combustibles sólidos son: la antracita, semiantracita, carbón bituminoso, lignito, etc. La reacción en el proceso de combustión se puede incrementar aumentando la temperatura. La tasa de la reacción química exotérmica aumenta exponencialmente en función de la temperatura absoluta de la reacción. Aún un pequeño incremento en la temperatura aumentará rápidamente la reacción. Debido a que las reacciones de los combustibles son exotérmicas, las temperaturas van aumentando y la tasa de reacción también va aumentando hasta alcanzar tal velocidad que el proceso de combustión se convierte en una explosión. Si la temperatura de una mezcla aire-combustible se ha elevado uniformemente, por ejemplo, por una compresión adiabática, la reacción puede ocurrir homogéneamente en todo el volumen; sin embargo, esto no es lo común, la combustión comúnmente observada presenta una flama, la cual es una región gaseosa delgada donde se produce la reacción química 14
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exotérmica; por ejemplo, en la combustión de un mechero Bunssen y una vela, ambos muestran una delgada región donde tanto el combustible como el oxígeno reaccionan desprendiendo calor y luz. En el caso de un mechero Bunssen, los reactantes compuestos por el combustible gaseoso, como el metano, y el aire llegan muy bien mezclados antes de la ignición, una vez mezclados se queman y la mezcla forma una zona de reacción de forma cónica denominada frente de flama, originándose los productos de la combustión. La conversión de la energía química en energía sensible ocurre en la flama y eso hace que la temperatura de la flama aumente. Los productos de la combustión emergen de la flama a una temperatura elevada pero la transferencia de calor y la mezcla que ocurre con el aire del ambiente causa que la temperatura disminuya a medida que los productos se alejan de la flama. El mechero Bunssen es un ejemplo de combustión de pre mezcla, esa combustión da origen a la flama premezclada. Otro ejemplo de combustión de mezcla es la que ocurre en una cámara de combustión de un automóvil donde el aire y combustible llegan mezclados en una relación determinada. La flama del mechero Bunssen es una flama estacionaria mientras que la que ocurre en una cámara de combustión es un ejemplo de una flama que se propaga. La flama de una vela es diferente a la de un mechero Bunssen ya que en la vela el combustible no es premezclado con el oxidante, la cera de la vela es calentada por la misma flama, ésta se licúa, luego se vaporiza y se mezcla con el aire que es absorbido de los alrededores por la flama en un movimiento boyante que hace que los productos fluyan hacia arriba. Este tipo de flama se denomina de difusión. La concentración aire-combustible en una flama de difusión varía desde una zona rica en combustible hasta una zona de aire puro. En este rango, algunas mezclas tienen mejores propiedades para la reacción. Para la mayoría de los combustibles, la zona de reacción de alta temperatura 15
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transfiere calor creciente hacia la zona rica en combustible, formando partículas sólidas de carbón de un tamaño menor a un micrón. Estas partículas calientes y radiantes generan una luminosidad de color amarillo o rojo. La combustión de quemadores de aceite, turbinas de gas y motores diésel presenta flamas de difusión. Tanto las flamas premezcladas como las flamas de difusión ocurren a diferentes tiempos y diferentes lugares dentro de la cámara de combustión. Las flamas pueden ser laminares o turbulentas. La turbulencia mejora la mezcla e incrementa la superficie de contacto en la zona de reacción, es decir, de combustión o quema. Esta velocidad de reacción se refiere al avance de la reacción entre la mezcla quemada y la no quemada. Los efectos de la turbulencia son importantes debido a que las flamas laminares son bastante lentas. La mayoría de los quemadores en la industria trabajan con flamas turbulentas. Las velocidades de las ramas premezcladas y laminares para combustibles de hidrocarburos son de aproximadamente 0.5m/s; en cambio, las flamas turbulentas son de dos a diez veces más rápidas. Cuando se alcanza velocidades de 2000 m/s se tiene una explosión o detonación. En una combustión laminar o turbulenta las reacciones ocurren prácticamente a presión atmosférica; en cambio en una detonación, la presión alcanza hasta quince veces más. La naturaleza de la combustión también depende si el combustible es gaseoso, líquido o sólido. Los combustibles gaseosos son fáciles de transportar, mezclar y por lo general tienen una combustión limpia. Los combustibles líquidos comúnmente son pulverizados a través de toberas a altas presiones, mientras que los sólidos son molidos y pulverizados antes de ser alimentados en el quemador o combustor.
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Cuando los combustibles líquidos son calentados, estos se vaporizan y se queman en el estado gaseoso; en cambio, los combustibles sólidos cuando se calientan desprenden humedad y gases volátiles y lo que queda es carbón poroso y cenizas. Los combustibles líquidos viscosos también dejan carbón y cenizas; el carbón tiene una combustión superficial. Debido a que los combustibles gaseosos, líquidos y sólidos tienen un proceso de combustión diferente, cada equipo de combustión tendrá un diseño diferente para tener una combustión más eficiente, más económica y limpia. Las propiedades físico-químicas del combustible incidirán en el contenido de ceniza, en la erosión y en la corrosión del equipo de combustión. El proceso de combustión deberá satisfacer las exigencias medioambientales en cuanto a la emisión de productos contaminantes, tales como monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados, óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre y material particulado. Los estándares de emisión están establecidos para mantener el ambiente suficientemente limpio como para proteger la salud humana y el medio ambiente. Actualmente, el calentamiento global es una preocupación mundial y una causa de este efecto son las altas concentraciones de dióxido de carbono que propician el efecto invernadero donde las radiaciones térmicas de onda larga, que deberían salir de la superficie terrestre, son atrapadas por la atmósfera aumentando así la temperatura del planeta. Si bien la relación entre las emisiones de CO2 y la temperatura promedio del mundo aún no está muy bien establecida, se ha comprobado que la concentración de CO2 en el globo terráqueo y su atmósfera se está acelerando cada vez más. La siguiente tabla permite apreciar este fenómeno:
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Tabla N°1 Tabla de Concentración de Dióxido de Carbono en PPM
Período Antes de la revolución Industrial 1900 1958 1980 1996 2013
Concentración PPM 280 300 315 337 362 400
Fuente: Gary L. Borman. Combustion Engineering 2012. Edit. McGraw Hill
Fig. 1. Temperatura Media de Tierra y Océano 1901 a 2013 Fuente: https://www2.ucar.edu/sites/default/files/news/2014/201301-201312.png
En la figura 1 se muestra las temperaturas promedio de tierras y océanos; en la misma se observa que ha habido un incremento de 0.85ºC desde 1880 hasta el 2012. Considerando que 1/3 de la población no cuenta con energía eléctrica y su generación es en base a termoeléctricas alimentadas con combustibles sólidos, se prevé un mayor aumento de CO2 y lo que se 18
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pretende es reducir esta concentración, esto se puede lograr diseñando y construyendo equipos y sistemas de combustión más eficientes desde un punto de vista energético. Entender los detalles de la combustión requiere utilizar química, matemáticas, termodinámica, transferencia de calor, mecánica de fluidos, entre otras ciencias. Por ejemplo, comprender el comportamiento de una simple flama turbulenta requiere los conocimientos de turbulencia de fluidos y cinética química, campos que se hallan en las fronteras de la ciencia actual. Sin embargo, el ingeniero no puede esperar hasta que el conocimiento evolucione y debe dar respuestas haciendo uso de la ciencia y la experiencia para hallar soluciones prácticas en materia de diseño de sistemas de combustión.
Fig. 2. Gráfica de Consumo Energía de diversa índole Fuente: WorldEnergy Council
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La figura 2 permite apreciar el uso de las diferentes formas de energía y una proyección hasta el año 2020 en medidas de unidades Mtoe, que significa la cantidad de energía cuando se quema una tonelada de petróleo crudo y equivale aproximadamente a 42GJ. Como se puede observar, el consumo de combustible fósil no renovable es muy alto y su reducción se prevé para el año 2020 en apenas 6%, esto significa que la tecnología de combustión estará vigente y deberá mejorar para reducir los niveles de emisión. El desafío actual para el ingeniero de combustión es alcanzar el diseño y construcción de equipos y sistemas de alta eficiencia, bajas emisiones y alta confiabilidad a costos razonables. Combustibles Sólidos Estos comprenden la madera y otras formas de biomasa, turba lignito, carbón bituminoso (carbón suave con alto contenido de bitumen) y carbón de antracita. Ciertos desechos industriales o municipales también se pueden considerar como combustibles. Estos combustibles están constituidos por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, humedad y cenizas. El oxígeno está químicamente ligado al combustible y varía desde un 45% en peso para la madera hasta un 2% para el carbón de antracita. La humedad puede estar en forma libre o ligada intrínsecamente en la madera o la porosidad del carbón. Las cenizas son el residuo inorgánico que queda después que se ha quemado completamente el combustible. El carbón es un mineral heterogéneo que está compuesto de carbón, hidrógeno y oxígeno con mínimas cantidades de azufre y nitrógeno. Otros constituyentes son los compuestos inorgánicos de las cenizas, algunos carbones toman una forma plástica y se derriten cuando se calientan y desprenden resinas, licores y gases, dejando un residuo de carbón. 20
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El carbón se origina a través de la acumulación de la madera y otra biomasa que fue cubierta y compactada en cientos de miles de años hasta petrificarse y convertirse en rocas. El origen del carbón bituminoso parece ser tierras húmedas constantemente inundadas de aguas con nutrientes lo cual ayudó a la formación de vegetación y turba. En los niveles bajos de estas tierras húmedas existió un proceso anaeróbico que ayudó al cambio estructural y descomposición bioquímica de las plantas remanentes; estas alteraciones microbiológicas y químicas de la celulosa, la lignina y otras sustancias hicieron que aumentara el porcentaje de carbón y disminuyera la cantidad de agua. Estos cambios generaron lignito, carbón bituminoso y luego antracita, cambios progresivos que ayudaron a la carbonización además de las altas presiones y temperaturas. Químicamente, al disminuir la porosidad y aumentar la vitrificación del carbón, existe una disminución de la materia volátil, un aumento del porcentaje de carbón así como una disminución del porcentaje de oxígeno e hidrógeno como es el caso de la antracita. Estas diferencias de composiciones del carbón hacen que se clasifique en rangos y grados. Los rangos del carbón expresan la metamorfosis progresiva de un carbón desde lignito hasta antracita. El rango se basa en el poder calorífico, tema que será ampliamente estudiado más adelante.
Combustible sólido de desecho
Este material que comúnmente denominamos basura sirve, en países industrializados, como combustible de grandes calderos donde se genera vapor que alimenta turbinas de vapor, que a su vez conducen generadores eléctricos. Los desechos o basura pueden ser quemados directamente o también pueden ser procesados y separados los combustibles de los no combustibles en sistemas de cortadoras, separadores magnéticos, cernidores por tamaño y clasificación por aire; a este tipo de combustible se lo conoce 21
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como combustible derivado de desechos. Este tipo de combustible puede ser tratado para obtener combustibles líquidos y gaseosos o ser almacenado en forma de pastillas o ladrillos. En Bolivia, este recurso energético aún no está siendo utilizado y se lo debería estudiar académicamente para una futura explotación industrial.
Combustibles Líquidos
Los combustibles líquidos son esencialmente derivados del petróleo crudo. Recientemente una nueva tecnología permite obtener combustibles líquidos derivados de esquistos, arenas resinosas, carbón y biomasa. El petróleo crudo es una mezcla de hidrocarburos líquidos con pequeñas cantidades de azufre, nitrógeno, oxígeno, trazas de metales y minerales. El petróleo generalmente se encuentra atrapado en ciertas formaciones rocosas que fueron originalmente fondos marinos. Esta materia orgánica del fondo del mar fue encerrada en capas de roca a elevadas presiones y temperaturas por millones de años hasta que se convirtió en el petróleo crudo que hoy conocemos. Los análisis de los petróleos crudos alrededor del mundo no varían mucho, con un 84% de carbón y hasta 3% de azufre, 0.5% de nitrógeno y 0.5% de oxígeno. En algunos casos se puede quemar el petróleo crudo de manera directa; sin embargo, debido a las diferentes densidades y viscosidades, así como impurezas que éste tiene, el petróleo crudo se debe refinar. Existen diferentes procesos de refinamiento tales como destilación fraccionada, cracking, reformado y otros, obteniéndose así diferentes cortes como gasolina, diésel, combustibles de turbinas de gas y fuelóleos. La figura 3 muestra una representación esquemática de los cortes obtenidos en una destilación fraccionada. Por la parte superior salen los hidrocarburos volátiles y por la parte inferior los más pesados. 22
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Fig. 3. Destilación Fraccionada del Petróleo Fuente: Wikipedia
Los combustibles líquidos derivados del petróleo pueden dividirse en destilados libres de ceniza y combustibles con ceniza; estos últimos presentan una significativa cantidad de minerales, los cuales deben ser removidos en la refinería. Los combustibles líquidos derivados del petróleo tienen una variedad de hidrocarburos y presentan un amplio rango de propiedades. Químicamente, el petróleo crudo está compuesto principalmente de alcanos (parafina), ciclo alcanos, naftenos y aromáticos. Los combustibles de petróleo también contienen alquenos (olefinas), los cuales se forman durante el proceso de cracking en la refinación. Dependiendo del número de átomos de carbono y de la estructura de los hidrocarburos que integran el petróleo, se tiene diferentes propiedades que los caracterizan y determinan su comportamiento como combustibles, lubricantes, ceras o solventes.
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Tabla N°2 Familias de Hidrocarburos derivados del Petróleo
Familia
Fórmula
Estructura
Parafinas Olefinas Diolefinas Naftenos Aromáticos
Cn H2n+2 Cn H2n Cn H2n-2 Cn H2n Cn H2n-6
Cadena Saturada Cadena no Saturada Cadena no Saturada Anillo Saturado Anillo no Saturado
Fuente: Prácticas del Laboratorio de Máquinas Térmicas UNAM
Las cadenas lineales de carbono asociadas a hidrógeno constituyen las parafinas; cuando las cadenas son ramificadas se tienen las isoparafinas; al presentarse dobles uniones entre los átomos de carbono se forman las olefinas; las moléculas en las que se forman ciclos de carbono son los naftenos, y cuando estos ciclos presentan dobles uniones alternas (anillo bencénico) se tiene la familia de los aromáticos. Además hay hidrocarburos con presencia de azufre, nitrógeno y oxígeno formando familias bien caracterizadas, y un contenido menor de otros elementos. Al aumentar el peso molecular de los hidrocarburos, las estructuras se hacen verdaderamente complejas y difíciles de identificar químicamente con precisión. Un ejemplo son los asfaltenos que forman parte del residuo de la destilación al vacío; estos compuestos además están presentes como coloides en una suspensión estable que se genera por el agrupamiento envolvente de las moléculas grandes, las cuales se modifican disminuyendo su tamaño hasta constituir un todo semicontinuo.
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Fig. 4. Estructura Molecular de Componentes del Petróleo Fuente: PEMEX http://www.imp.mx/
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Combustibles Gaseosos
El gas natural se halla comprimido en rocas porosas y arcillas esquistosas en estratos inferiores. Frecuentemente el gas natural se halla muy cerca o encima de los depósitos de petróleo. El gas natural es una mezcla de hidrocarburos y pequeñas cantidades de no-hidrocarburos existentes en la fase gaseosa o mezclado en una solución con petróleo crudo. El gas natural crudo contiene metano y, en menores cantidades, etano, propano, butano y pentano. También, en cantidades mínimas, el gas natural contiene nitrógeno orgánico y azufre que prácticamente son despreciables y, en algunos casos, dióxido de carbono y nitrógeno que no son combustibles. El gas natural extraído de los yacimientos petrolíferos es un producto incoloro e inodoro, no tóxico y más ligero que el aire. Procede de la descomposición de los sedimentos de materia orgánica atrapada entre estratos rocosos y es una mezcla de hidrocarburos ligeros en la que el metano (CH4) se encuentra en grandes proporciones, acompañado de otros hidrocarburos y gases, cuya concentración depende de la localización del yacimiento. Gas Natural Comprimido (GNC) GNC significa Gas Natural Comprimido y es el mismo gas natural mencionado anteriormente pero sometido a altas presiones. El Gas Natural Comprimido se comprime hasta 200 bar con objeto de ser almacenado en cilindros y su principal uso es en motores de combustión interna. El Gas Natural ha sido aceptado como una energía con gran potencial de desarrollo futuro y, de hecho, la Conferencia Mundial de la Energía, celebrada en Tokio el año 1995, declaró al GNC como el combustible alternativo con mejores opciones de desarrollo para su masificación a futuro debido a su abundancia, comodidad, seguridad, bajo costo de extracción, 28
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transporte, distribución y el bajo nivel de contaminación que genera. Este gas es también conocido como Gas Natural Vehicular que no es más que el GNC usado como fuente energética en los automotores en general. Su uso se ha difundido en muchos países, principalmente por su limpieza ambiental y menor costo comparado con los combustibles tradicionales. Gas Natural Licuado (LNG) LNG (por sus siglas en inglés) es un gas natural que ha sido licuado y separado de los hidrocarburos líquidos y más pesados por un proceso criogénico que baja su temperatura hasta -162 grados Celsius a presión atmosférica o ligeramente superiores. Su contenido de metano alcanza un 99% y puede ser transportado en grandes buque-tanques denominados “metaneros.” El Gas Natural Licuado ocupa un volumen que representa 1/600 el volumen del Gas Natural en forma de vapor en condiciones estándar. Gas Licuado de Petróleo (GLP) El gas licuado de petróleo (GLP) está compuesto principalmente de etano, propano y butano, que son producidos en plantas procesadoras a partir del gas natural. El GLP también incluye algunos gases licuados provenientes de las refinerías, tales como etileno, propileno y butileno. El GLP es almacenado en tanques a presiones mucho menores que el GNC. El GLP comercial tiene una presión de vapor de 2,08 bar a 38°C. Gas de Carbón o Gas Pobre El denominado gas de carbón o “gas pobre” se obtiene de un proceso de semi-combustión del carbón, con una cantidad de aire menor que el estequiométrico, sobre un lecho caliente de carbón, madera, turba o residuos agrícolas. Este gas puede ser usado caliente o bien frío y limpio de brea y ceniza. El gas pobre está compuesto principalmente de CO, H2, y hasta un 29
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55% de N2, además de CO2 en mínima proporción. La gran cantidad de nitrógeno en el gas pobre hace que éste tenga un poder calorífico bajo. Otra manera de obtener gas pobre es calentando el carbón y la biomasa de forma indirecta. Gas de Agua Se produce un llamado gas de agua a través de un lecho caliente de carbón, hulla o carbón de madera, una dosificación de aire y luego sofocando esta combustión con vapor. El vapor reacciona endotérmicamente con el carbón de la siguiente manera: C + H2O = CO + H2 De esta forma, el CO y el H2 se incrementan y el N2 del aire disminuye. El gas de agua tiene el doble de poder calorífico que el gas barato. Gases de Alta Temperatura Los gases manufacturados, como el hidrógeno y el acetileno, son usados para aplicaciones de altas temperaturas. El hidrógeno se obtiene a partir de una reformación del gas natural, una oxidación parcial de los hidrocarburos líquidos, o una gasificación del carbón. El acetileno C2H2 se obtiene añadiendo agua al carburo de calcio. 1.1. Propiedades Físico - Químicas de los Combustibles 1.1.1.
Propiedades de los Combustibles Sólidos
Los análisis físico-químicos de los combustibles sólidos están basados en las normas ASTM, que son:
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Análisis de Aproximación ASTM D3172 Esta prueba determina la cantidad de humedad, materia combustible volátil, carbón fijo y cantidad de ceniza en una muestra de un combustible sólido. Esta prueba se denomina de aproximación por la naturaleza empírica de la misma. Se muele y pesa una muestra de carbón y se la calienta entre 105 a 110°C, se vuelve a pesar y la diferencia determinará el porcentaje de humedad. Esta misma muestra luego se calienta hasta 900°C en un recipiente hermético y se sigue el mismo procedimiento para determinar el peso de la masa volátil. La materia remanente es luego calentada hasta 750°C en un recipiente abierto de tal manera que exista combustión, se pesa la masa nuevamente y el peso perdido corresponderá a la resina o carbón fijo y lo que queda en el recipiente se define como ceniza. En esta prueba no se determina si el agua desprendida es libre o está químicamente enlazada al combustible. Se debe seguir cuidadosamente el protocolo de esta prueba para tener resultados confiables. Análisis Final ASTM D3176 Prueba que permite determinar la composición porcentual de los elementos del combustible; esta prueba es una continuación de la anterior, es decir, se la realiza en base seca y libre de cenizas. La prueba determina la cantidad de carbón e hidrógeno quemando la muestra en un recipiente cerrado en presencia de oxígeno. Las proporciones de los componentes se determinan a través de un análisis de los productos de combustión. Determinación del Poder Calorífico ASTM2105 Esta prueba permite determinar la cantidad de calor que se genera por unidad másica de combustible en un proceso completo de combustión. Para ello se utiliza una bomba calorimétrica de combustible. Más adelante se explicará ampliamente esta prueba. 31
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Determinación del Grado de Pulverización ASTM D409 Permite diferenciar a los combustibles sólidos por su facilidad de pulverización. El sólido es movido en un recipiente que contiene ocho bolas de acero de 25 mm de diámetro, las bolas son conducidas por un anillo que rota a 20 RPM impulsado por un eje que ejerce una presión de 284.4 N. Se toma una muestra de 50 g, la cual se somete a 60 revoluciones del equipo, el carbón molido luego es tamizado en una malla de 75 micrones y luego se pesa la masa molida para determinar el porcentaje de pulverización. Determinación de la Temperatura de Fusión de la Ceniza ASTMD1857 Esta prueba es importante porque los residuos de ceniza causan taponamientos en calderos y otros intercambiadores de calor. Una vez que una muestra ha sido quemada en presencia de oxígeno para asegurar una combustión completa, quedan los restos de cenizas que se mezclan con una solución de dextrina hasta formar una pasta en forma de cono, el cual se quema nuevamente hasta que el cono colapse. En este proceso se toman las diferentes temperaturas para determinar la temperatura de fusión. Esta temperatura depende de la composición de la ceniza; si ésta tiene SIO2, Al2O3, y TiO2, las temperaturas de fusión son mayores; en cambio, si la ceniza contiene Fe2O2, CaO, MgO, Na2O y K2O, las temperaturas son mucho más bajas. Esta temperatura servirá como parámetro de diseño en calderos o intercambiadores. Índice de Hinchamiento Libre Expresa el comportamiento del carbón cuando se calienta a temperaturas a las que se provoca su escisión en dos fases: gaseosa y sólida. La forma y volumen final obtenidos de una muestra inicial de carbón, sometido al citado calentamiento, se compara con una escala establecida en la que se asignan unos números a cada forma y volumen. 32
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La escala varía desde 0 (sin aumento de tamaño) a 9 (aumento de tamaño más grande). El IHL puede verse afectado por el contenido de humedad a la intemperie, y la poca consistencia de la muestra pulverizada. Índice de Abrasividad Expresa la mayor o menor capacidad que tiene un carbón para producir erosión en los elementos de un equipo de manejo del mismo. Se utilizará la escala MOHS, que asigna un valor o índice a diez materiales distintos según su abrasividad. 1.1.2.
Propiedades de los Combustibles Líquidos
Determinación del Poder Calorífico ASTM3523 Esta prueba se realiza haciendo uso de una bomba calorimétrica, la cual es un recipiente metálico donde se inyecta oxígeno a alta presión, una resistencia eléctrica y el combustible. El recipiente está rodeado de agua y ésta absorbe el calor producido por la reacción de combustión en la bomba. El aumento de la temperatura del agua permite determinar la cantidad de calor desprendido por el combustible. Tabla N°3 Tabla de Poderes Caloríficos de Combustibles Líquidos
Combustibles
PCI (kJ/kg)
PCS (kJ/kg)
Aceites de Esquisto Alcohol Comercial Alquitrán de Hulla Alquitrán de Madera Etanol Puro Metanol Puro Fuelóleo N°1 Fuelóleo N°2 Gasóleo Gasolina Petróleo Bruto Querosene
23860 36420 26790 19250 40600 39765 42275 43950 40895 43400
38830 26750 37025 29720 42695 41860 43115 46885 47970 46500
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Densidad o Gravedad Específica La gravedad específica es la densidad del combustible dividido por la densidad del agua; ambos deben estar a la misma temperatura. En algunos casos se usa los grados A.P.I. (Instituto Americano del Petróleo) o grados Baumé: 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝐵𝑎𝑢𝑚é = 𝐺𝑟𝑎𝑑𝑜𝑠 𝐴𝑃𝐼 =
140 𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎 289𝐾/289𝐾 141.5
𝑝𝑒𝑠𝑜 𝑒𝑝𝑒𝑐í𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑎
289𝐾 289𝐾
− 131.5
− 130
(1.1.2.1) (1.1.2.2)
Donde el peso específico del combustible se halla a 289°K dividido por el peso específico del agua también a 289°K. Viscosidad Se denomina así a la propiedad de un líquido a su resistencia a fluir. En términos prácticos indica la facilidad con la que un combustible puede ser bombeado o también atomizado. La viscosidad de los líquidos disminuye al aumentar la temperatura. Existen diferentes estándares para determinar la viscosidad. Algunas veces se usa el punto de escurrimiento como una medida de la viscosidad, éste se refiere a la temperatura más baja que un líquido pueda almacenarse y todavía sea capaz de fluir. Punto de Inflamación Es una indicación de la temperatura máxima a la cual el combustible puede ser almacenado y manipulado sin el peligro de presentarse fuego. También se define esta propiedad como la temperatura más baja en la que el combustible puede arder en presencia de una flama. Temperaturas de Autoignición Se denomina así a la temperatura mínima requerida para iniciar una combustión autosostenible a la presión atmosférica y sin la presencia de una 34
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chispa o flama. La temperatura de ignición de los alcanos disminuye con el aumento del peso molecular. Por ejemplo, la temperatura de autoignición del isoctano es mayor que la del octano. En general se puede decir que las temperaturas de autoignición son un indicador de la dificultad de combustión de un combustible. Punto de Humo La medición del punto de humo es una prueba usada como indicador de la calidad de los combustibles para turbinas de aviación y kerosene. En esta prueba, una muestra de combustible es ubicada dentro de un candelabro y quemada por la lámpara del equipo para determinar la altura máxima formada por la llama sin formación de humo. La norma que rige esta propiedad es la ASTM D1322. Tabla N°4 Temperaturas de Inflamación y Autoignición
Temperatura de Inflamación
Temperatura de Autoignición
°C / °F
Etanol (70%)
16.6°C (61.9°F)
363°C (685°F)
Gasolina
−43 °C (−45°F)
280°C (536°F)
Diesel 2D
>52°C (126°F)
256°C (493°F)
Jet Fuel A/ A1
>38°C (100°F)
210°C (410°F)
Kerosene
>38–72°C (100–162°F) 220°C (428°F)
Aceite Vegetal
327°C (621°F)
Biodiesel
>130°C (266°F)
Fuente: NFPA 30: Flammable and Combustible Liquids Code, 2012 Edition
35
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Tipos de Combustible Líquido La gasolina del automóvil es una mezcla de hidrocarburos livianos destilados derivada de combinaciones del petróleo crudo refinado, mezcla de parafinas, olefinas, naftalinas y materia aromática que varía de refinería a refinería debido al lugar y época del año. La gasolina debe ser lo suficientemente volátil como para evaporarse fácilmente en un motor, pero no tan volátil como para ser peligro de explosión durante su manipuleo. Las gasolinas tienen una relación de ebullición de 25-225°C. El Octano, que a veces es utilizado para representar a la gasolina, tiene un punto de ebullición de 125.6°C. Tabla N°5 Propiedades de Combustibles Automotores
Propiedades Gravedad específica a 16ºC Viscosidad cinemática a 20ºC (m2/s) Rango de Punto de Ebullición (ºC) Temperatura de Inflamación (ºC) Temperatura de Auto ignición (ºC) N° de Octano (investigación) N° de Octano (motor) N° de Cetano Relación A/F Estequiométrica Calor de Vaporización (KJ/Kg) Poder Calorífico Inferior (MJ/Kg)
Gasolina de Automóvil
Diesel N° 2
Methanol
Etanol
0.72-0.78 0.85
0.85
0.796
0.794
0.8x10-6
2.5x10-6
0.75x10-6
15x10-6
30-225
210-235
65
78
-43
52
11
13
370
254
464
423
91-100 82-92 < 15 14.7
--37-56 14.7
109 89 < 105 6.45
109 90 < 15 9.0
380
375
1185
920
43.5
45
20.1
27
Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K.
36
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El combustible diésel es una mezcla de hidrocarburos livianos destilados con una relación de ebullición más alto que la gasolina. Las grandes industrias de equipos pesados y las naves marinas utilizan con frecuencia este combustible más pesado. Las propiedades para el diésel y la gasolina se muestran en la tabla N°5. Comparando la gasolina y el diésel Nº2, se tiene que la densidad del combustible diésel es más alta, lo cual le da un mayor poder calorífico. Se nota también menor volatilidad y mayor viscosidad del combustible diésel. La temperatura de autoignición muestra la razón de la gran diferencia en el cetanaje si se toma en cuenta que el número de cetano muestra la facilidad de la compresión de ignición.
Fig. 5. Porcentaje de Evaporado Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K
Los combustibles de las turbinas de gas no están limitados por requisitos de cascabeleo o ignición diferida y tienen un amplio rango de puntos de ebullición. El Kerosene es similar al combustible Jet A de un 37
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avión a propulsión; la gran diferencia está en el porcentaje de humedad. El jet fuel debe ser exento totalmente de humedad para evitar cristalización (congelamiento) del combustible en la altitud de vuelo donde las temperaturas están por debajo de los 0°C. El combustible jet B, que también es utilizado como combustible de avión de turbina a gas, tiene un rango de punto de ebullición más bajo que el combustible jet A. Los combustibles de turbina limitan las cantidades de ciertas trazas de metal como el vanadio y el plomo, lo cual tiende a formar depósitos en las aspas. La temperatura de inflamación del kerosene es 38ºC, y el punto de ebullición es 150ºC – 200ºC. La tendencia de formación de hollín (punto de humo) es controlada limitando el contenido de aromáticos a 25% por volumen. Los combustibles para la industria de turbinas a gas toman en cuenta consideraciones similares. El combustible Fueloil2 (en inglés fuel oil), también llamado fuelóleo o combustóleo en otros países hispanohablantes, es una fracción del petróleo que se obtiene como residuo en la destilación fraccionada. De aquí se obtiene entre un 30 y un 50% de esta sustancia. Es el combustible más pesado de los que se puede destilar a presión atmosférica. Está compuesto por moléculas con más de 20 átomos de carbono, y su color es negro. El fueloil se usa como combustible para plantas de energía eléctrica, calderas y hornos. La figura 5 muestra una gráfica de temperatura versus porcentaje de líquido evaporado para diferentes combustibles. El aceite combustible cubre un rango amplio de productos derivados que se han dividido en seis grados, aunque el grado Nº3 ha sido desechado; el grado N°1 es kerosene y el grado N°2 es aceite combustible doméstico. El aceite combustible N°2 hierve entre 218 y 310º C; las propiedades del aceite combustible se muestran en la tabla 6. Los grados más pesados de aceite 2
Según la grafía recomendada por el Diccionario panhispánico de dudas
38
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combustible se especifican por su viscosidad y son utilizados en la industria, en aplicaciones de servicio público y en algunos motores grandes. Los grados más pesados contienen cantidades de ceniza significativos. Para el grado Nº6 se requiere que se precaliente el aceite, lo mismo que para los grados Nº5 y Nº4, dependiendo del clima. El combustible N°6 es un combustible residuo pesado, el cual queda después de completado todo el proceso de destilación; tiene alta viscosidad y tiende a contener relativamente altas cantidades de asfaltenos, sulfuro, vanadio y sodio. Los aceites combustibles residuales se queman directamente en algunos calderos, y pueden ser utilizados después algún tratamiento en turbinas a gas de industrias pesadas. El sulfuro es limitado a 0.5% para los aceite combustible Nº1 y Nº2, pero puede alcanzar un 4% para el aceite combustible Nº6. Tabla N°6 Propiedades Típicas de los Fuelóleos
Grado
1
Propiedad
Kerosene
Color Gravedad Específica, a 16ºC Viscosidad cinemática a 38ºC (m2/s) Punto de escurrimiento (ºC) Punto Flash (ºC) Temperatura de Autoignición(ºC) % de Carbono % Residuo de carbono (%)Hidrógeno Oxígeno (%) Ceniza (%)
2
4
5
6 Residual
Claro 0.825 1.6x10-6
Destilado Residual Residual muy Ligero Ligero Ámbar Negro Negro 0.865 0.928 0.953 2.6x10-6 15x10-6 50x10-6
< -17 38 230
< -18 38 260
-23 55 263
-1 55 -
19 66 408
86.5 Traza 13.2 0.01 46.2
86.4 Traza 12.7 0.04 45.4
86.1 2.5 11.9 0.27 43.8
85.5 5.0 11.7 0.3 43.2
85.7 12.0 10.5 0.38-0.64 42.4
Negro 0.986 360x10-6
Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K.
39
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A medida que los recursos petroleros disminuyen, otras alternativas de combustibles hidrocarburíferos comienzan a crecer en importancia. Los combustibles líquidos pueden provenir de carbón, biomasa, aceite de esquisto, arena de alquitrán y gas natural. El metanol (CH3OH) puede obtenerse del gas natural, carbón o madera; el etanol (C2H5OH) puede obtenerse de remolacha de azúcar, maíz, o madera. Se puede sustituir el combustible diésel con aceites vegetales como el aceite de soya y el gas natural. La realización de esas alternativas depende primordialmente de la economía del proceso relacionado al petróleo. Sin embargo, puede jugar un papel muy importante también la demanda de regulación de emisiones de gases. Por ejemplo, el éter dimetil que puede obtenerse del gas natural es un excelente diésel que no genera humo. Como se indica en la tabla N°5, el poder calorífico del metanol y del etanol es menor que de otros combustibles derivados del petróleo por su contenido de oxígeno, sin embargo actualmente su uso es ampliamente difundido. Cuando se calienta el aceite de esquisto, su contenido resinoso se descompone en un líquido aceitoso del cual se puede obtener petróleo crudo (syncrude). De manera similar, la arena de alquitrán da lugar al syncrude que puede ser refinado para obtener diversos combustibles. Asimismo, se está considerando reemplazar el petróleo con suspensiones de carbón pulverizado disuelto en agua. Se ha demostrado que este tipo de combustible, que contiene de 25 a 30% de agua, es estable para el bombeo y quemado en ciertos calderos. Características de la Gasolina Debido a que la gasolina es el derivado del petróleo más consumido, la determinación de su calidad es de gran importancia. Para la mayoría de los consumidores, la gasolina se valora de acuerdo a su octanaje y precio. Sin embargo, la determinación de calidad de la gasolina es bastante complicada e 40
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involucra muchos factores, y la variación de la calidad de gasolina podría ser enorme si no fuera por el hecho de que la mayoría de las refinerías producen gasolinas bajo los parámetros y especificaciones establecidas por la Sociedad Americana para Ensayos de Materiales (Especificaciones ASTM D4814). Tabla N°7 Especificaciones de Gasolinas
Especificación
Método ASTM
Volatilidad de destilación
D860
Relación de vapor a líquido
D2533, D5188 D323, D5190
Presión de vapor
N° de Octano Investigación N° de Octano Motor
D2699 D2700
Indices Anti-cascabeleo
--
Estabilidad a la oxidación Goma existente Estabilidad de oxidación Contenido de Azufre
D130 D381 D525 D1266
Aditivos anti-cascabeleo Contenido de plomo Contenido de manganeso
D2599 D3229 D3831
Importancia Mejor funcionamiento en clima frío No congelamiento de carburador Fácil encendido en caliente Vaporización en líneas de combustible Pérdida por evaporación en el Carburador Depósitos en cárter, cámaras de combustión y en bujías Vaporización en líneas de combustible Encendido a baja temperatura Pérdidas de vapor del tanque de combustible Vaporización en líneas de combustible Cascabeleo de baja-a-mediana velocidad Cascabeleo en elevadas RPM Cascabeleo a media máquina (N° de Octano motor + N° de octano Investigación)/2 Mayor vida útil de sistema de combustible Depósitos de sistema de inducción Emisión de escape, depósitos del motor y desgaste Deterioración de catalizador Emisiones de hidrocarburos del motor Deterioro del sensor de oxígeno
Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K.
41
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La tabla N°7 muestra una lista de estos métodos de ensayo. Pese a esta lista de especificaciones, existen otras propiedades también de importancia, como la densidad, tensión superficial, viscosidad, compatibilidad con materiales, y rango estequiométrico de Aire-Combustible. La lista de especificaciones cambia y se incrementa constantemente; por ejemplo, el cambio de carburador a combustible a inyección en automóviles trajo consigo problemas de depósitos en los inyectores, lo cual impulsó a encontrar aditivos para prevenir la formación de dichos depósitos. Al mismo tiempo, las especificaciones relacionadas al trabajo de los carburadores disminuyeron en importanciaLa volatilidad del combustible afecta el performance de encendido, la operación de los vehículos y las emisiones de gases en carretera o durante el llenado de tanque. Los efectos en el performance pueden ser severos si se tiene formación de vapor en el sistema de combustión, el cual reduce el flujo del combustible. El conductor puede tener problemas de conducción como jaloneos, contraexplosiones, funcionamiento áspero o intermitente, una corta y violenta reducción de la aceleración después de que el vehículo se pone en movimiento y en cambios cíclicos de potencia. El control del circuito cerrado del combustible, el uso de un sensor de oxígeno en el escape para controlar el flujo de aire de entrada y de combustible, puede aliviar estos problemas. Características de Combustible Diésel Las especificaciones del combustible diésel se muestran en la tabla N°8. El combustible Nº1D es utilizado para aplicaciones en clima frío; el Nº2D es el combustible para vehículos a diésel más común. Ambos son muy similares a los aceites de calefacción Nº1 y Nº2, por lo que compiten cuando hay demanda. El diésel Nº4D es utilizado para motores de velocidad media a baja de aplicación estacionaria.
42
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Tabla N°8 Especificaciones del Diésel ASTM D975
Propiedades T. de Inflamación °C T. de Turbidez °C Agua y sedimentos %, máx. Residuos de Carbón %, máx. Ceniza % en peso máx. Punto de destilación 90% °C Viscosidad a 40°C (cSt) % máx. de Azufre N° de Cetano
N°1D
N°2D
N°4D
38 Req. Local 0.05 0.15 0.01 288 1.3-2.4 0.05 40
52 Req. Local 0.05 0.35 0.01 282-338 1.9-4.1 0.05 40
55 Req. Local 0.05 0.1 5.5-24 2.0 30
Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K.
En términos de consideraciones de combustión, los principales factores son la viscosidad y el número de cetanaje. Las emisiones de partículas son afectadas adversamente por el contenido alto de azufre y aromatizantes. Pese a que el efecto primario de bajo número de cetanaje es evitar problemas de encendido en frío, la reducción de número de cetanaje puede también incrementar problemas de funcionamiento áspero, y emisiones de NO (óxido de nitrógeno). Típicamente, los motores de turbo son más tolerantes a un número bajo de cetano durante operaciones de flujo estacionario. Así como en el caso de la gasolina, los combustibles diésel pueden mejorarse agregando aditivos. Características de Combustibles de Turbinas Las especificaciones para jet fuel combustible son más precisas que para gasolina o diésel por razones de seguridad y durabilidad del motor. La tabla N°9 muestra las especificaciones ASTM para combustibles de turbina no militares. 43
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Tabla N°9 Especificaciones ASTM de Combustibles de Turbinas de Aviación
Propiedad
Unidad
Jet A o A1
Jet B
Acidez Sulfuro de Mercaptano Azufre total Aromáticos Densidad T. de destilación al 90% Presión de vapor Viscosidad Punto de congelamiento T. de Inflamación Poder Calorífico Punto de Humo Goma existente
Mg KOH/g máx. % en peso máx. % en peso máx. % volumen máx. Kg/m3a 15°C °C KPa a 38°C, máx. cSt a -20°C °C, mín.
0.1 0.003 0.3 22 775 a 840 --8 -40 (Jet A) -47 (Jet A1) 38 (Jet A) -42.8 25 7
0.003 0.3 22 751 a 802 245 21 --50
°C MJ/Kg, mín. mm, mín. mg/100 ml, máx.
-42.8 25 7
Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K.
Las consideraciones importantes de combustión son la formación de hollín, la radiación termal subsecuente y las características de la aspersión de la tobera como resultado de la viscosidad del combustible y de la tensión superficial. Hasta el momento se ha realizado un intenso trabajo para encontrar aditivos de combustible para aviones que reduzcan el esparcimiento de fuego cuando el combustible es incontenible durante un accidente. El combustible Jet A es un tipo de kerosene con un alto punto de inflamación. El combustible Jet B es un destilado con un amplio rango de volatilidad. El combustible Jet A-1 tiene un punto de enfriamiento más bajo que el Jet A.
44
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1.1.3.
Octanaje y Cetanaje de los Combustibles
Octanaje Esta propiedad se aplica a combustibles líquidos pero también a los gaseosos, sobre todo a aquellos utilizados en motores de combustión interna. El octanaje o número de octano indica la tendencia de una gasolina a autoignicionarse dentro de la cámara de combustión cuando la relación de compresión en un motor de combustión interna por chispa se aumenta. El número de octano de un combustible se mide por comparación entre el comportamiento de dicho combustible y el comportamiento de una mezcla de iso-octano y n-heptano en un motor de combustión por chispa estandarizado. Al iso-octano se le asigna arbitrariamente el número 100 y al n-heptano se le asigna el número 0. Esta tendencia de autoignición de un combustible también se la conoce en la jerga de los mecánicos automotrices como “cascabeleo”. El iso-octano es el combustible líquido más resistente a la autoignición o cascabeleo, comparado con todas las gasolinas existentes en el tiempo que la escala fue creada. Una mezcla de 10% de n-heptano y 90% de iso-octano tendrá un número de octano de 90. El octanaje de un combustible se determina probando qué mezcla (heptano/octano) tiene la misma resistencia que el combustible que se está probando. Existen dos protocolos para determinar el octanaje: el primero es el método ASTM D2699 RON llamado de investigación y, el segundo, es el método ASTMD2700 MON o llamado método motor; en este último método, las condiciones de operación del motor son mucho más severas, es decir proclives a que haya cascabeleo. El motor utilizado en ambos métodos es un robusto motor de cuatro tiempos con válvulas en la parte superior, diámetro de 82.6 mm y 114.3 mm de carrera. El motor está diseñado para variar su relación de compresión de 3 a 30 a través de un mecanismo que sube o baja el cilindro y el ensamble de la culata con el cilindro. El motor 45
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está equipado con un carburador con dos depósitos, uno para el combustible de prueba y el otro para la mezcla heptano/octano. Tabla N°10 Condiciones de Operación de Prueba de Octanaje
Variables Temperatura de Entrada Presión de Entrada Humedad Temperatura de Enfriamiento Velocidad del Motor Avance de Chispa Relación Aire-Combustible
ASTM D2699
ASTM D2700
52°C Atmosférica 0.0036 a 0.0072 Kg/Kg aire seco 100°C
Atmosférica 0.0036 a 0.0072 Kg/Kg aire seco 100°C
600 RPM 13°BTC Ajustado para la máxima autoignición
900 RPM 19-26°BTC Ajustado para la máxima autoignición
Fuente: Internal Combustion Engine Fundamentals John B. Heywood Edit. McGraw Hill
Tabla N°11 Octanaje de Diferentes Combustibles y Gasolinas
Combustible Hexadecano n-octano n-heptano (RON y MON 0 por definición) diésel
RON
MON
< −30 −20 0
0
15–25
2-methylheptane
23
23.8
n-hexano
25
26.0
1-pentano
34
1-heptano
60
n-pentano
62
61.9
46
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
Combustible
RON
Requerimiento típico para un motor de dos tiempos
69
Gasolina Regular en Bolivia
85
Gasolina Premium en Bolivia
95
Gasolina regular en Indonesia
88
Gasolina regular en Japón
90
n-butanol
92
Neopentano Gasolina regular en Australia, Nueva Zelanda, Canadá y los EEUU
MON 65
78 71 80.2
91–92
82–83
Gasolina regular sin plomo en Europa
95
85–86
Gasolina "Premium" en EEUU (mezcla con 10% etanol)
97
87-88
Gasolina Premium en Japón
100
t-butanol
103
91
106.1
99.4
2,3,3-trimethylpentane Etano
108
Tolueno
121
107
Propano
112
97
Isopropanol
118
98
1-Propanol
118
Metanol
108.7
88.6
Etanol
108.6
89.7
Metano
120
120
Hidrógeno
> 130
47
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El Octanaje y la Altura Considerando que la autoignición de un combustible en una cámara de combustión es función de la presión absoluta dentro de la cámara, en lugares de altitud elevada el efecto de cascabeleo será menor debido a la menor presión atmosférica existente. En países como los EEUU, la gasolina que se vende en lugares de altitud tiene menor octanaje. Cetanaje La calidad de ignición de un combustible se define por el número de cetano. El método usado para determinar la calidad de emisión en términos del número de cetano es análogo al usado para determinar el número de octano. La escala de ese octanaje se define por la mezcla de dos hidrocarburos, el cetano (n-hexadecano, C16H34) un hidrocarburo con alta calidad de ignición, asignándole el valor de 100; el otro es el isocetano heptametil nonano (HMN), el cual representa la base de la escala con un número asignado de 15. Así, el número de cetano CN está dado por la siguiente fórmula: 𝐶𝑁 = %𝑛𝐶𝑒𝑡𝑎𝑛𝑜 + 0.15 ∙ %𝐻𝑀𝑁
(1.1.3.1)
El motor que se utiliza para determinar esta propiedad es muy similar al usado en la gasolina; sin embargo, la norma que rige esta prueba es la ASTMD613 y las condiciones de operación están incluidas en la siguiente tabla:
48
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Tabla N°12 Condiciones de Operación de acuerdo a ASTMD613
Variables Temperatura de Entrada Presión de Entrada Temperatura de Enfriamiento Velocidad del Motor Avance de Chispa Relación Aire/Combustible
ASTM D613 65.6°C 10.3 MPa 100°C 900 RPM 13°BTC Ajustado para la máxima autoignición
Fuente: Internal Combustion Engine Fundamentals John B. Heywood Edit. McGraw Hill
Debido al elevado costo de esta prueba, se ha creado otras pruebas basadas en propiedades físicas del combustible. Por ejemplo, se utiliza el índice de Cetano (CCI) ASTM D976. Este protocolo se basa en la densidad API y el punto medio de ebullición; esta prueba está directamente relacionada a la composición química del combustible; los diésel parafínicos tienen alta calidad de ignición y los diésel aromáticos y nafténicos tienen pobre calidad de ignición. Otra prueba utilizada es la determinación del punto de anilina ASTM D611, que consiste en determinar la temperatura más baja a la cual dos volúmenes iguales de combustible y anilina pueden ser mezclados: Í𝑛𝑑𝑖𝑐𝑒 𝑑𝑒 𝐷𝑖𝑒𝑠𝑒𝑙 = 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑛𝑖𝑙𝑖𝑛𝑎 (°𝐹) ∙
𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝐴𝑃𝐼 100
(1.1.3.2)
El índice de diésel depende de que los hidrocarburos aromáticos se mezclen completamente con la anilina a temperaturas bajas, mientras que las parafinas requieren mayores temperaturas antes de ser totalmente miscibles. De igual manera, una alta densidad API denota baja gravedad específica y alto contenido de parafinas, lo que supone una alta calidad de ignición. El índice de diésel generalmente arroja valores ligeramente por encima del número de cetano, lo cual es aceptable para referencias. 49
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1.1.4.
Propiedades de los Combustibles Gaseosos
El Poder Calorífico Es una de las propiedades más importantes de un combustible. Se expresa para los combustibles gaseosos y líquidos por unidad de volumen en condiciones normales. El valor del poder calorífico va a variar mucho dependiendo del tipo de gas y composición del mismo. Los componentes no combustibles de un combustible van a bajar el rendimiento calorífico de la combustión; a pesar de esto, a veces un combustible de calidad inferior, pero que es subproducto de un proceso industrial, puede ser más ventajoso económicamente. Las unidades del poder calorífico son Kcal/m3; Btu/ft3; Cal/L. La unidad de volumen puede estar en: - Condiciones normales (N)m3: Volumen medido a Presión Normal: 1 atm, Temperatura Normal: 0ºC. - Condiciones estándar (S)m3: Volumen medido a Presión estándar: 1 atm, Temperatura Estándar (S): 15,6ºC. - Condiciones estándar ambiente (STAP) Volumen medido a Presión estándar: 1 atm y Temperatura Ambiente 25°. El Calor Específico Otra propiedad importante del combustible es el calor específico. Se define éste como la cantidad de calor requerida para que la unidad de masa de gas aumente su temperatura 1ºC. Las unidades son cal/gºC; Kcal/KgºC; Btu/lbºF. Al aumentar la temperatura existe una dilatación; es por ello que se definen los siguientes calores específicos: Calor específico a volumen constante (Cv). Calor específico a presión constante (Cp). Cv es menor que Cp, ya que se debe tener en cuenta el trabajo de expansión. Existe una relación entre estos dos valores: K= Cp/Cv, donde K es igual a: 1.67 para Gas monoatómico; 1.40 para Gas diatómico; 1.33 para Gas triatómico. 50
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Índice de Wobbe (W) El Índice de Wobbe (W) es un parámetro importante cuando se quiere mezclar gases combustibles y el aire (en una reacción de combustión). Se controla este índice para asegurar la combustión satisfactoria en un quemador. Es además un indicador de intercambiabilidad de combustibles como el gas natural, gas licuado de petróleo y otros gases. El índice de Wobbe puede ser expresado matemáticamente como: 𝑊𝑆 =
Donde:
𝑃𝐶𝑆 √𝜌𝑜
𝑊𝑆
es el Índice de Wobbe superior
𝑃𝐶𝑆
es el poder calorífico superior
𝜌𝑜
(1.1.4.1)
es la densidad relativa del gas
El índice de Wobbe permite determinar la intercambiabilidad de dos gases mejor que el poder calorífico del combustible. El comportamiento de la llama, al intercambiar dos gases combustibles, es función del poder calorífico superior y de la densidad del gas. Particularmente, para gases con composición similar, el índice de Wobbe es un buen indicador del desempeño de los dos gases. Aunque el índice de Wobbe es una manera fácil y efectiva de medir la intercambiabilidad, la industria reconoce históricamente que este índice por sí solo no es suficiente ya que no predice adecuadamente todos los fenómenos de combustión. Otros factores que deben de identificarse para determinar la intercambiabilidad de un gas, además del índice de Wobbe, son: 1) la misma estabilidad de llama, con ausencia de desprendimiento de llama y ausencia de retroceso de llama; 51
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
2) idéntica calidad de combustión, (relación de volúmenes de CO y CO2 inferior al límite máximo admitido); 3) el mismo rendimiento de combustión; 4) la misma cantidad de aire que se necesita para obtener la combustión y la misma temperatura de rocío en los humos; 5) el mismo factor de aireación. Poder Comburívoro o Aire Teórico Es la cantidad de aire necesaria para asegurar la combustión de 1 m 3 de gas. Suele expresarse en m3N aire/m3N de gas. Poder Fumígeno (humos o gases de combustión) Conjunto combustión. los gases de Nm3 de gas distinguir:
de productos en estado de gas que se obtiene en el proceso de Se trata del volumen expresado en Condiciones Normales de combustión que se obtienen en la combustión completa de 1 asociado a una cantidad de aire igual a la teórica. Se puede
Humos secos: No se considera el vapor de agua Humos húmedos: Se considera el vapor de agua Se expresan en Nm3 humos/Nm3 de gas Clasificación de los Gases Combustibles según Familias Los gases se clasifican en familias de acuerdo al índice de Wobbe; aquellos gases que son de la misma familia tienen mayor facilidad de intercambiabilidad entre sí.
52
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
Tabla N°13 Gases Combustibles según Familias
PRIMERA FAMILIA
Índice de Wobbe comprendido entre 5.700 y 7.500 Kcal /m3(n). Pertenecen a esta familia el gas manufacturado, el gas de coquería y el gas de mezcla hidrocarburo-aire de bajo índice de Wobbe.
SEGUNDA FAMILIA
Índice de Wobbe comprendido entre 9.680 y 13.850 Kcal/m3(n). Pertenecen a esta familia los gases naturales y las mezclas hidrocarburo-aire de alto índice de Wobbe (aire propanado).
TERCERA FAMILIA
Índice de Wobbe comprendido entre 18.500 y 22.070 Kcal/m3(n). Pertenecen a esta familia los GLP (gases licuados del petróleo), propano, butano... Fuente: www.dcgasextremadura.es/gas.htm
Análisis Volumétrico Los gases varían de acuerdo a la variación en tantos por ciento en volumen de los distintos componentes del gas a utilizar, referidos a Condiciones Normales o Condiciones Estándar. Densidad Relativa Se indica la densidad relativa del gas con respecto al aire, referida al gas seco y en condiciones normales (Condiciones normales 1.01325 bar y 273°K).
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1.2. Combustión Estequiométrica Se denomina así a la combustión que se realiza con la cantidad teórica de oxígeno estrictamente necesaria para producir la oxidación total del combustible sin que se produzcan productos no quemados o parcialmente quemados. En consecuencia, no se encuentra O2 en los humos ya que dicho O2 se consumió totalmente durante la combustión. También se puede definir como la cantidad mínima necesaria de aire para la combustión total de una unidad másica de combustible. Cuando una molécula pasa por una reacción química, los átomos reactantes son reordenados para formar una nueva combinación. Por ejemplo el hidrógeno y el oxígeno reaccionan para formar agua: 1 𝐻2 + 𝑂2 → 𝐻2 𝑂 2
Dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno forman una molécula de agua, y el número de átomos de hidrógeno y oxígeno debe ser igual en ambos lados de la ecuación. Tal reacción representa la condición inicial y final pero no indica cuál ha sido el camino real de la reacción, la que puede haber tenido muchos pasos intermedios con especies intermedias. Esta forma de análisis es similar a la que se usa en termodinámica, donde el estado inicial y final son los importantes y no así la trayectoria o los mecanismos utilizados para ir de un punto a otro. Con la ecuación anterior se debe hacer un análisis másico de la misma a partir de los pesos moleculares: 2𝑘𝑔 1 32𝑘𝑔 18𝑘𝑔 (1 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 𝐻2 ) ( ) + ( 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝑂2 ) ( ) = (1𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝐻2 𝑂) ( ) 1𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝐻2 2 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝑂2 1𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝐻2 𝑂
1 volumen de H2 + 1/2 volumen de O2 = 1 volumen de H2O 54
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Las relaciones anteriores permiten afirmar que las masas de los productos son iguales a las masas de los reactantes; sin embargo, los moles o volúmenes de los productos no son iguales a los volúmenes de los reactantes. Composición del Aire Atmosférico Siendo el aire la sustancia donde se encuentra el oxígeno como elemento combustor de toda combustión, es importante hacer una pequeña referencia al aire atmosférico y su composición: Tabla N°14 Composición del Aire Atmosférico Seco
Gas Oxígeno O2 Dióxido de Carbono CO2 Nitrógeno N2 Otros Total
Volumen (%)
Presión (mmHg)
20.98 0.04 78.06 0.92 100
159.34 0.3 593.25 6.99 760
Fuente: Combustion Hand Book CRC Press 2001
Para efectos de cálculo, es conveniente aproximar el aire seco a una mezcla de 79% en volumen de nitrógeno molecular y 21% de oxígeno molecular, es decir 3.764 moles de N2 por un mol de O2. Así, el peso molecular del aire es de 28.96 g/mol. Cuando un combustible que tiene carbón, hidrógeno y oxígeno es quemado completamente con una cantidad de aire estequiométrica, se usa la siguiente expresión para hallar su balance másico: 𝐶𝛼 𝐻𝛽 𝑂𝛾 + (
𝛼+𝛽 4
𝛾
𝛽
𝛽
𝛾
2
2
4
2
− ) (𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 𝛼𝐶𝑂2 + ( ) 𝐻2 𝑂 + 3.76 (𝛼 + − ) 𝑁2
(1.2.1)
Donde 𝛼, 𝛽, 𝛾 son los subíndices de la composición del combustible o hidrocarburo. 55
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En la anterior expresión se aprecia que los reactantes están compuestos por el combustible (hidrocarburo) y el comburente (aire), y los productos de la combustión son gases calientes, en muchos casos en estado de luminiscencia o comúnmente denominado fuego. Estos gases calientes son la energía térmica que se puede aprovechar de diferentes formas en motores de combustión interna, turbinas de gas, calderos de vapor e intercambiadores de calor para diferentes propósitos, desde domésticos hasta industriales, e incluso utilizados en los cohetes espaciales. La energía liberada en forma de calor proviene básicamente de la ruptura de las ligaduras de los carbones e hidrógenos de los hidrocarburos. Se puede apreciar, por ejemplo, que el pentano C5H12 tiene más ligaduras que el propano C3H8 y por consiguiente el pentano generará mayor cantidad de calor que el propano. Relación Aire-Combustible A/F Es la relación de masa de aire por unidad másica de combustible y se denota por: 𝐴⁄ = 𝐹𝑠
𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
=
𝐾𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝑘𝑔𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
(1.2.2)
Ejercicio 1.2.1: Hallar la 𝐴⁄𝐹 𝑠 para el propano C3H8: 8 0 8 8 0 𝐶3 𝐻8 + (3 + − ) (𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 3𝐶𝑂2 + 𝐻2 𝑂 + 3.76 (3 + − ) 𝑁2 4 2 2 4 2 𝐶3 𝐻8 + 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 3𝐶𝑂2 + 4𝐻2 𝑂 + 18.8𝑁2
56
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15.6Kg aire 𝑨⁄ = 5(2 ∗ 16 + 3.76 ∗ 2 ∗ 14)Kg de aire = 𝑭𝒔 (3 ∗ 12 + 8 ∗ 1)Kg propano 𝑘𝑔 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
Para que exista una combustión completa o estequiométrica del propano se requiere un mínimo de 15.6 Kg de aire por Kg de combustible. 1.3. Combustión con Exceso y Defecto de Aire Combustión con Exceso de Aire En toda combustión abierta a la atmósfera como la combustión de una vela, un mechero Bunssen, una fogata, etc. el aire de la combustión se está tomando del ambiente; en tal caso se tiene una combustión atmosférica que por lo general es una combustión incompleta por la presencia de monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados. Si se acerca una vela al techo, se verá que éste se tizna, es decir se queda una mancha en el techo que es una ligera capa de carbón no combustionado. Si se quiere una combustión completa, se debe alimentar el fuego con aire por medio de un ventilador, aireador u otra forma de inyección de aire y la llama se avivará. Cuando se tiene más aire que la cantidad de aire estequiométrica, se dice que se tiene una combustión con exceso de aire. El exceso de aire se mide en porcentajes del aire teórico y lo recomendable para fines de diseño de equipos de combustión es de 15% a un 20% como máximo para asegurarse de tener una combustión completa. Ejercicio 1.3.1: Determinar la relación Aire-Combustible para una combustión con 15% de exceso de aire de propano. 𝐶3 𝐻8 + 𝟏. 𝟏𝟓 ∙ 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 3𝐶𝑂2 + 4𝐻2 𝑂 + 20.21𝑁2 + 0.75𝑂2 17.94 𝐾𝑔 𝐴⁄ = 𝐹𝐸 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜
57
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En este ejemplo se puede ver que en el lado de los productos existe O2 y N2 que no han participado del proceso de reacción pero que han ayudado a lograr una combustión completa. Combustión con Defecto de Aire Cuando existe menos aire que el estequiométrico, es decir una combustión rica, entonces no existe suficiente oxígeno para oxidar totalmente el carbón y el hidrógeno del combustible y convertirlos en CO2 y H2O. En tales circunstancias los productos son una mezcla de CO2 y H2O con presencia de CO y, si la mezcla es muy pobre en oxígeno, incluso habrá presencia de Carbono. Cuando el defecto de aire no pasa del 20%, la composición de los productos puede ser determinada a partir de un balance másico; si el defecto es mayor, se debe trabajar por tanteo. Ejercicio 1.3.2: Determinar la relación Aire-Combustible para una combustión de propano con un 10% de defecto de aire. 𝐶3 𝐻8 + 𝟎. 𝟗 ∙ 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 𝐴𝐶𝑂2 + 𝐵𝐻2 𝑂 + 𝐷𝐶𝑂 + 𝐹𝑁2
Se debe plantear la ecuación en los productos con la presencia de monóxido de Carbono y se debe determinar los coeficientes A, B, D y F con el siguiente sistema de ecuaciones: 1. 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝐶𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 3 = 𝐴 + 𝐷 2. 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝐻𝑖𝑑𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 8 = 2𝐵 3. 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑂𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 0.9 ∙ 5 ∙ 2 = 2𝐴 + 𝐵 + 𝐷 4. 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑁𝑖𝑡𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 0.9 ∙ 5 ∙ 3.76 = 𝐹 𝐴 = 2; 𝐵 = 4; 𝐷 = 1; 𝐹 = 16.92 𝐶3 𝐻8 + 𝟎. 𝟗 ∙ 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 2𝐶𝑂2 + 4𝐻2 𝑂 + 𝐶𝑂 + 16.92𝑁2 14.04 𝐾𝑔 𝐴⁄ = 𝐹𝐷 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜
58
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Si el defecto de aire es muy grande y en la solución de la ecuación planteada se hallan valores negativos o cero para alguna de las incógnitas, habrá que introducir, además de la presencia de CO, también C. Ejercicio 1.3.3: Determinar la relación Aire-Combustible para una combustión de propano con un 30% de defecto de aire. 𝐶3 𝐻8 + 𝟎. 𝟕𝟎 ∙ 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 𝐴𝐶𝑂2 + 𝐵𝐻2 𝑂 + 𝐷𝐶𝑂 + 𝐹𝑁2 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝐶𝑎𝑟𝑏𝑜𝑛𝑜 3 = 𝐴 + 𝐷 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝐻𝑖𝑑𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 8 = 2𝐵 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑂𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 0.70 ∙ 5 ∙ 2 = 2𝐴 + 𝐵 + 𝐷 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑒𝑙 𝑁𝑖𝑡𝑟ó𝑔𝑒𝑛𝑜 0.70 ∙ 5 ∙ 3.76 = 𝐹 𝑨 = 𝟎; 𝐵 = 4; 𝐷 = 3; 𝐹 = 13.16
Si A=0, entonces la solución sería una incongruencia; en tal caso se debe añadir la presencia de Carbono y se debe tantear la ecuación: 𝐶3 𝐻8 + 𝟎. 𝟕𝟎 ∙ 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 𝐴𝐶𝑂2 + 𝐵𝐻2 𝑂 + 𝐷𝐶𝑂 + 𝐺𝐶 + 𝐹𝑁2
Una vez que se hace el proceso de tanteo, las incógnitas serán: 𝐴 = 1; 𝐵 = 4; 𝐷 = 1; 𝐺 = 1; 𝐹 = 13.16 𝐶3 𝐻8 + 𝟎. 𝟕𝟎 ∙ 5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) = 𝐶𝑂2 + 4𝐻2 𝑂 + 𝐶𝑂 + 𝐶 + 13.16𝑁2
Esta última ecuación tiene sentido y muestra un extremo del defecto de aire en un proceso de combustión. 10.92 𝐾𝑔 𝐴⁄ = 𝐹𝐷 𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜
Función Lambda La función Lambda es una razón entre la relación aire-combustible real y la relación aire-combustible estequiométrica. Esta función se denota por la siguiente expresión: 59
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𝜆=
Si
𝐴𝑖𝑟𝑒 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒𝑅𝑒𝑎𝑙 𝐴𝑖𝑟𝑒 𝐶𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒𝐸𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜
=
𝐴⁄ 𝐹𝑅 𝐴⁄ 𝐹
(1.3.1)
𝑆
𝜆 = 1 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖ó𝑛 𝑒𝑠𝑡𝑒𝑞𝑢𝑖𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎
𝜆 > 1 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑏𝑟𝑒 𝜆 < 1 𝑚𝑒𝑧𝑐𝑙𝑎 𝑟𝑖𝑐𝑎
Una aplicación de la función Lambda es la sonda lambda (Sonda λ) usada en motores a combustión con gasolina. Esta sonda λ es un sensor que está situado en el conducto de escape, inmediatamente después del múltiple de escape y antes del catalizador, de forma que puede medir la concentración de oxígeno en los gases de escape antes de que sufran alguna alteración. La medida del oxígeno es representativa del grado de riqueza de la mezcla, magnitud que la sonda transforma en un valor de tensión y que comunica a la unidad de control o cerebro, como los mecánicos la designan. Ejercicio 1.3.4: Considerando una mezcla estequiométrica, de isooctano y aire, determinar: a)
La fracción molar del combustible: 𝐶8 𝐻18 + (8 +
18 18 + 0) (𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 8𝐶𝑂2 + 9𝐻2 𝑂 + 3.76 (8 + + 0) 𝑁2 4 4
𝐶8 𝐻18 + 12.5(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 8𝐶𝑂2 + 9𝐻2 𝑂 + 47𝑁2 𝑋𝐶8 𝐻18=
𝑁𝐶8 𝐻18
𝐶8 𝐻18 +𝑁(𝑎𝑖𝑟𝑒)
=
1 12.5∙4.76
= 0.0165
b) La relación A/F 𝐴⁄ = 12.5(2 ∗ 16 + 3.76 ∗ 2 ∗ 14)Kg de aire = 15.052 𝐾𝑔𝑎𝑖𝑟𝑒 𝐹𝑠 (8 ∗ 12 + 18 ∗ 1)Kg propano 𝐾𝑔𝑖𝑠𝑜𝑜𝑐𝑡𝑎𝑛𝑜
c)
La fracción molar de agua en los productos. 𝑋𝐻2 𝑂 =
9 = 0.14 8 + 9 + 47
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d) La temperatura de los productos a la cual el agua empezará a condensar si la presión es la atmosférica a nivel del mar. De acuerdo a la ecuación de Dalton: 𝑁𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑁𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠
𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 =
=
𝑃𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙
(1.3.2)
𝑁𝑣𝑎𝑝𝑜𝑟 ∙ 𝑃𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 9 ∙ 101.3 𝐾𝑃𝑎 = = 14.24𝐾𝑃𝑎 𝑁𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒𝑠 64
Esta presión representa la presión de saturación del vapor y, como se sabe por termodinámica, tiene una temperatura de saturación que se halla en tablas de vapor saturado: 14.24𝐾𝑃𝑎 → 𝟓𝟑°𝑪
Ejercicio 1.3.5: ¿Cuántos Kg de aire se requiere para combustionar 55.5 L de gasolina? Considerar la gasolina como octano con una densidad igual 0.71 Kg/L Solución: 0.71𝐾𝑔𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 𝑎𝑖𝑟𝑒 Del anterior ejemplo: 15.052 𝐾𝑔𝐾𝑔𝑜𝑐𝑡𝑎𝑛𝑜 ∙ ∙ 55.5𝐿𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎 = 𝟓𝟗𝟔 𝑲𝒈𝒂𝒊𝒓𝒆 1𝐿𝑔𝑎𝑠𝑜𝑙𝑖𝑛𝑎
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CAPÍTULO 2 2.
Termodinámica de la Combustión3
2.1. Calor de Combustión El calor de combustión es una de las formas más comunes en que se encuentra la energía. La combustión del gas natural domiciliario que alimenta la hornilla de una cocina es la forma más simple de observar y sentir el calor, que no es más que la energía cinética de los átomos y moléculas excitados por un proceso fisicoquímico exotérmico que se ha denominado combustión. El calor desprendido o asociado a los productos de combustión es el poder calorífico de una unidad másica de combustible. El calor de combustión es la
máxima cantidad de energía ideal que se desprende en un proceso de combustión en condiciones estequiométricas. Propiedades de las Mezclas El proceso de combustión ocurre siempre en estado gaseoso y los gases pueden ser sustancias puras o mezclas, por lo tanto, es importante establecer sus propiedades. Se sabe por la termodinámica básica que las propiedades térmicas de una sustancia pura incluyen la energía interna 𝑢, entalpía ℎ, calor específico 𝐶𝑃 , etc. Los sistemas de combustión están compuestos por diferentes gases, así que las propiedades termodinámicas de una mezcla resultan de la combinación de las propiedades individuales de cada especie. Se asume la ley de los gases ideales para una mezcla gaseosa aplicándola a cada uno de sus 3
S. McAllister et al., Fundamentals of Combustion Processes, Mechanical Engineering Series, 2011.
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componentes. Sea una mezcla de sistema será:
𝐾
diferentes gases, la masa total
𝑚 = ∑𝐾 𝑖=1 𝑚𝑖
Donde:
𝑚
del
(2.1.1)
es la masa de la especie 𝑖
𝑚𝑖
𝑁 = ∑𝐾 𝑖=1 𝑁𝑖
(2.1.2)
𝑁
es el número total de moles en el sistema
𝑁𝑖
es el número de moles de la especie 𝑖 en el sistema
La fracción de masa 𝑌𝑖 y la fracción molar 𝑋𝑖 , describen la cantidad relativa de una especie dada y sus ecuaciones están dadas por: 𝑌𝑖 ≡
Donde:
𝑚𝑖 𝑚
fracción másica y
𝑋𝑖 ≡
𝑁𝑖 𝑁
fracción molar
𝑖 = 1,2, … . 𝐾.
Por definición: 𝐾 ∑𝐾 𝑖=1 𝑌𝑖 = 1y∑𝑖=1 𝑋𝑖 = 1.
(2.1.3)
Denotando por M el peso molecular de la especie i, el peso molecular promedio M de la mezcla se determina por la siguiente ecuación: 𝑀=
𝑚 𝑁
=
∑𝑖 𝑁𝑖 𝑀𝑖 𝑁
= ∑𝑖 𝑋𝑖 𝑀𝑖
(2.1.4)
De la Ley de Dalton de presiones aditivas y de la Ley de Amagat de volúmenes aditivos junto a la ley de gases ideales, la fracción molar de las especies en una mezcla puede darse a partir de la siguiente expresión : 𝑃𝑖 𝑃
=
𝑁𝑖 𝑁
=
𝑉𝑖 𝑉
𝑋𝑖
(2.1.5)
64
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Donde 𝑃𝑖 es la presión parcial de la especie i, 𝑃 es la presión total de la mezcla gaseosa, 𝑉𝑖 es el volumen parcial de la especie i y 𝑉 es el volumen total de la mezcla. Las propiedades intrínsecas promedio de la mezcla pueden ser clasificadas usando una base molar o una base másica. Por ejemplo, la energía interna por unidad de masa de una mezcla se denota por 𝑢, y se determina por la sumatoria de la energía interna por unidad de masa de cada especie dividida entre la fracción másica de las especies, es decir: 𝑢=
𝑈 𝑚
=
∑𝑖 𝑚𝑖 𝑢𝑖 𝑚
= ∑𝑖 𝑌𝑖 𝑢𝑖
(2.1.6)
Donde 𝑈 es la energía interna total de la mezcla y 𝑢𝑖 es la energía interna por unidad de masa de la especie i. De manera similar, la entalpía por unidad de masa de la mezcla es: ℎ = ∑𝑖 𝑌𝑖 ℎ𝑖
(2.1.7)
El calor específico a presión constante por unidad de masa de la mezcla: 𝐶𝑝 = ∑𝑖 𝑌𝑖 𝑐𝑝,𝑖
(2.1.8)
Una propiedad molar básica a menudo se denota con una barra testada ^ y se determina por la suma de las propiedades por mol de cada especie referente a la fracción molar de cada especie; así, la energía interna por mol de la mezcla es: û = ∑𝑖 𝑋𝑖 û𝑖
(2.1.9)
Entropía por mol de mezcla es: 𝑠̂ = ∑𝑖 𝑋𝑖 𝑠̂𝑖
(2.1.10)
65
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Asumiendo calores específicos constantes durante un proceso termodinámico, los cambios de energía interna, entalpía y entropía por unidad de masa de una especie individual se define como sigue: ∆𝑢𝑖 = 𝐶𝑣,𝑖 (𝑇2 − 𝑇1 )
(2.1.11)
∆ℎ𝑖 = 𝐶𝑝,𝑖 (𝑇2 − 𝑇1 )
(2.1.12)
∆𝑠𝑖 = 𝐶𝑝,𝑖 𝑙𝑛
𝑇2 𝑇1
− 𝑅𝑖 𝑙𝑛
𝑃𝑖,2
(2.1.13)
𝑃𝑖,1
y 𝑃𝑖,2 denotan las presiones parciales de la especie i en el estado 1 y estado 2, respectivamente. 𝑅𝑖 es la constante de los gases para la especie i 𝑃𝑖,1
𝑅𝑖 =
𝑅̂𝑢 𝑀𝑖
=
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑔𝑎𝑠𝑒𝑠
(2.1.14)
𝑃𝑒𝑠𝑜 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑎𝑟 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑐𝑖𝑒 𝑖
El cambio total de la entropía para un sistema de combustión es: (2.1.15)
∆𝑆 = ∑𝑖 𝑚𝑖 ∆𝑠𝑖
Ejercicio 2.1.1: Las masas constitutivas de una mezcla de gases son, 5 kg de O2, 8 kg de N2 y 10 kg. Determinar las fracciones másicas, fracciones molares. Peso molecular promedio y la constante universal de los gases para esta mezcla. 𝐾
𝑚 = ∑ 𝑚𝑖 = 𝑚𝑂2 + 𝑚𝑁2 + 𝑚𝐶𝑂2 = 5𝑘𝑔 + 8𝑘𝑔 + 10𝑘𝑔 = 23 𝑘𝑔 𝑖=1
Fracción másica: 𝑌𝑂2 ≡
𝑚𝑖 𝑚
=
5𝑘𝑔 23𝑘𝑔
= 0.217 ;𝑌𝑁2 ≡
𝑚𝑖 𝑚
=
8𝑘𝑔 23𝑘𝑔
= 0.348 ;𝑌𝐶𝑂2 ≡
𝑚𝑖 𝑚
=
10𝑘𝑔 23𝑘𝑔
= 0.435
Para hallar la fracción molar, primero se determina los pesos moleculares de cada componente: 66
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𝑁𝑂2 =
Así:
𝑚𝑂2
5𝑘𝑔
𝑀𝑂2 32𝑘𝑔⁄ 𝑚𝑜𝑙
= 0.156 𝑘𝑚𝑜𝑙 , 𝑁𝑁2 = 0.286𝑘𝑚𝑜𝑙 , 𝑁𝐶𝑂2 = 0.227𝑘𝑚𝑜𝑙,
𝑁 = ∑𝐾 𝑖=1 𝑁𝑖 = 0.156 + 0.286 + 0.227 = 0.669 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑋𝑂2 ≡
𝑁𝑖 𝑁
=
0.156 0.669
; 𝑋𝑁2 = 0.428 ; 𝑋𝐶𝑂2 = 0.339
El peso molecular promedio se define como: 𝑀=
𝑚 23𝑘𝑔 = = 34.4 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑁 0.669𝑘𝑚𝑜𝑙
La constante universal de los gases aplicada a la mezcla: 𝑘𝐽 𝑅̂𝑢 8.314 ⁄𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐾 𝑘𝐽 𝑅𝑖 = = = 0.242 ⁄𝑘𝑔 𝐾 𝑘𝑔⁄ 𝑀𝑖 34.4 𝑘𝑚𝑜𝑙
Ejercicio 2.1.2: Una mezcla de gases tiene la siguiente composición: 1 kg de CO2, 3 kg de CH4 cuya temperatura es de 300°K y 200kPa. Determinar la presión parcial de cada gas y el peso molecular promedio de la mezcla. 𝑁𝐶𝑂2 =
𝑚𝐶𝑂2 𝑀𝐶𝑂2
=
1𝑘𝑔 𝑘𝑔 44 ⁄𝑚𝑜𝑙
= 0.0227 𝑘𝑚𝑜𝑙 ; 𝑁𝐶𝐻4 = 0.1875 𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑁 = (0.0227 + 0.1875)𝑘𝑚𝑜𝑙 = 0.2102 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑋𝐶𝑂2 = 0.108; 𝑋𝐶𝐻4 = 0.892 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 = 𝑋𝐶𝑂2 ∙ 𝑃𝑇 = 0.108 ∙ 200 𝑘𝑃𝑎 = 21.6 𝑘𝑃𝑎𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝐻4 = 0.892 ∙ 200 𝑘𝑃𝑎 = 178.4 𝑘𝑃𝑎
El peso molecular de la mezcla promedio será: 𝑀=
𝑚 4𝑘𝑔 = = 19.03 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑁 0.2102 𝑘𝑚𝑜𝑙
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TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
Ejercicio 2.1.3: Se mezclan dos gases en un recipiente de 0.45 m3 bajo las siguientes condiciones: Neón a 100 kPa, 20°C y Argón a 200 kPa, 50°C. Determinar la presión y la temperatura finales de la mezcla. Asumir una condición de gas ideal y que no existe ninguna forma de trabajo en el proceso. 0.6179 kJ/kg°C y 0.3122 kJ/kg°C calores específicos para Ne y Ar respectivamente. 𝑃1 𝑉1 100𝑘𝑃𝑎 ∙ 0.45𝑚3 𝑁𝑁𝑒 = ( ) = 8.314𝑘𝑃𝑎𝑚3 = 0.0185 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑅𝑢 𝑇1 𝑁𝑒 ∙ 293°𝐾 𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑃1 𝑉1 200𝑘𝑃𝑎 ∙ 0.45𝑚3 𝑁𝐴𝑟 = ( ) = 8.314𝑘𝑃𝑎𝑚3 = 0.0185 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑅𝑢 𝑇1 𝐴𝑟 ∙ 323°𝐾 𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑁 = 𝑁𝑁𝑒 + 𝑁𝐴𝑟 = 0.0185 𝑘𝑚𝑜𝑙 + 0.0335 𝑘𝑚𝑜𝑙 = 0.0520 𝑘𝑚𝑜𝑙
Se toman ambos gases como un sistema y si no hay trabajo que cruza el sistema, es un sistema cerrado. Aplicando la primera ley de la termodinámica se tiene: 𝐸𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 − 𝐸𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = ∆𝐸𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎
(2.1.16)
-𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = ∆𝑈 = ∆𝑈𝑁𝑒 + ∆𝑈𝐴𝑟 -𝑄𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎 = [𝑚𝐶𝑉 (𝑇𝑚 − 𝑇1 )]𝑁𝑒 + [𝑚𝐶𝑉 (𝑇𝑚 − 𝑇1 )]𝐴𝑟 𝑘𝐽 ⁄𝑘𝑔°𝐶 ) (𝑇𝑚 − 20°𝐶) 𝑘𝐽 + (0.035 ∙ 39.5𝑘𝑔) (0.3122 ⁄𝑘𝑔°𝐶 ) (𝑇𝑚 − 50°𝐶)
−15𝑘𝐽 = (0.0185 ∙ 201.18𝑘𝑔) (0.6179
𝑇𝑚 = 16.2°𝐶 (28902°𝐾)
La presión final en el tanque se obtiene a partir de la ecuación de estado para gases ideales: 68
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
𝑘𝑃𝑎 ∙ 𝑚3⁄ 𝑁𝑅𝑢 𝑇𝑚 (0.052 𝑘𝑚𝑜𝑙)(8.314 𝑘𝑚𝑜𝑙 °𝐾) (289.2°𝐾) 𝑃= = = 138.9𝑘𝑃𝑎 3 𝑉 0.9𝑚
2.2. Primera Ley Aplicada al Proceso de Combustión
Fig. 6. Cámara de Combustión como Volumen de Control
Se aplica la 1ª Ley de la Termodinámica a un Volumen de Control de una cámara de combustión que genera calor y se asume un trabajo que puede ser positivo o negativo. Por otra parte, se considera que dentro de la cámara no existe una variación de energía cinética ni potencial. La ecuación de la energía se limitará a la variación de las entalpías (energía de flujo + energía interna) entre los productos y los reactantes: 𝑄 − 𝑊 = 𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜𝑠 − 𝐻𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠
(2.2.1)
69
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert
2.3. Entalpía de Formación En los procesos de combustión, los reactantes son consumidos para formar productos y energía en forma de calor. Esta energía proviene del reacomodo de las ligaduras de los enlaces químicos en los reactantes para 𝑜 formar los productos. La entalpía estándar de formación, denotada por ∆ℎ̂𝑖 , cuantifica la energía química de enlace de una especie en condiciones estándar. La entalpia de formación de una sustancia es la energía necesaria para la formación de tal substancia a partir de sus elementos constitutivos en condiciones SATP o de temperatura ambiente y presión absoluta (25 °C y 1 𝑜 atm). La entalpia de formación ∆ℎ̂𝑖 tiene las unidades de MJ/kg, pero también puede expresarse en unidades molares MJ/kilomol. Tabla N°15 Entalpías de Formación de Combustibles Comunes
Especie H2O(gas) CO2 CO CH4 metano C3H8 propano C7H16(g) nheptano C8H18(g) isoctano CH3OH(g) metanol CH3OH(l) metanol C2H5OH(g) etanol C2H5OH(l) etanol H2 N2 C6H6(gas) benceno
̂ 𝒊 𝒐 , (MJ/Kmol) ∆𝒉 -241.83 -393.52 -110.53 -74.87 -104.71 -224.23 -259.25 -201.54 -238.43 -235.12 -277.02 0 0 82.93
Especie H N NO NO2 O NO2 C(g) C2H2 acetileno C2H4 etileno C2H6 etano C4H10nbutano O2 H2O(líquido) C(sólido)
̂ 𝒊 𝒐 , (MJ/Kmol) ∆𝒉 217.99 472.79 90.29 33.10 249.19 33.10 715.00 226.73 52.28 -84.68 -126.15 0 -285.8 0
Fuente: Fundamentals of Combustion Processes McAllister, S. Chen 2011
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Los elementos en su forma más estable, tales como el carbón C, hidrógeno H2, oxígeno O2 y nitrógeno N2, tienen entalpía de formación igual a 0. Las entalpías de formación de especies más comunes se hallan en la tabla 15, tablas especializadas de libros de termodinámica y en los Anexos 1 y Anexo 2 del presente texto. Las condiciones estándar son un punto de partida que está acompañado por un cambio de entalpía. Para aquellos sistemas termodinámicos en los cuales no existe una reacción química, el cambio de entalpía de un gas ideal se describe como la entalpía sensible. Entalpía Sensible: Es el cambio de energía de una sustancia en referencia a una temperatura dada; la ecuación que gobierna esta entalpía es: 𝑇 ℎ̂𝑠𝑖 = ∫𝑇 𝐶̂𝑃 (𝑇)𝑑𝑡 0
(2.3.1)
Donde el subíndice i se refiere a la especie i, T0 se refiere a la temperatura estándar (25°) y el signo circunflejo ˆ indica la cantidad por mol. Nótese que la entalpía de cualquier especie es cero en condiciones estándar. La entalpía absoluta o total ℎ̂𝑖 , es la suma de la entalpía sensible y la entalpía de formación: ℎ̂𝑖
𝑜
= ∆ℎ̂ 𝑖 + ℎ̂ 𝑠𝑖
(2.3.2)
Por ejemplo se desea determinar la entalpia de formación del CO2 haciendo reaccionar 1kmol de C con 1 Kmol de O2 a una temperatura de 25 °C y una presión constante de 101.3 KPa. Una manera de determinar la entalpía de formación de una especie es usando un reactor de flujo de presión constante como el que se muestra en la figura 7.
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Fig. 7.
Reactor de Flujo Continuo
El producto, 1 Kmol de CO2, sale fuera del reactor a 25°C. Una cantidad de calor producida en la reacción es transferida fuera del sistema, por lo ̂ 𝐶𝑂2 = −393.52𝑀𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙; tanto, la entalpia de formación del CO2 es negativa, ∆ℎ° esto significa que el CO2 a 25 °C contiene menos energía que sus elementos constituyentes C y O2, los cuales tienen cero de entalpía de formación. La entalpia de formación no es negativa para todas las especies químicas. Por ejemplo, la entalpia de formación del NO es ∆ℎ̂°𝑁𝑂 = + 90.29𝑀𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙; esto significa que se requiere energía para su formación y la toma de sus constituyentes, el N2 y el O2. Para especies más inestables o radicales como el O2, N2, H2 y CH3, la entalpia de formación es positiva. Ejercicio 2.3.1: Un estudio de factibilidad indica que los sólidos de la basura municipal pueden ser quemados y los gases producto de la combustión tendrían la siguiente composición en base seca: CO2 9.2%, CO 1.5%, O2 7.3%, N2 82%. ¿Cuál es la diferencia de entalpía por lbmol de este gas si la temperatura de la base de la chimenea es 550°F y a la salida es 200°F? Los calores específicos (BTU/lbmol°F) respectivos de cada gas son: N2: CP= 6.895 + 0.7624 × 10-3T – 0.7009 × 10-7T2; O2: CP = 7.104 + 0.7851 × 10-3T – 0.5528 × 10-7T2; CO: CP = 6.865 + 0.8024 × 10-3T – 0.7367 × 10-7T2; CO2: CP = 8.448 + 5.757 × 10-3T – 21.59 × 10-7T2+ 3.059 × 10-10T3 Solución: Se usará la ecuación 2.3.1, pero antes se debe encontrar el calor específico promedio de la mezcla, ecuación 2.1.8 72
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𝐶𝑝 = ∑ 𝑌𝑖 𝑐𝑝,𝑖 = 𝑌𝑁2 + 𝑌𝑂2 + 𝑌𝐶𝑂 + 𝑌𝐶𝑂2 𝑖
𝐶𝑝 = 7.053 + 1.2242 ∙ 10−3 𝑇 − 2.6124 ∙ 10−7 𝑇 2 + 0.2814 ∙ 10−10 𝑇 3 ℎ̂𝑠𝑖 = ∫
200
(7.053 + 1.2242 ∙ 10−3 𝑇 − 2.6124 ∙ 10−7 𝑇 2 + 0.2814 ∙ 10−10 𝑇 3 ) 𝑑𝑡
550
1.2242 ∙ 10−3 2.6124 ∙ 10−7 (2002 − 5504 ) − (2002 − 5504 ) 2 3 0.2814 ∙ 10−10 + (2002 − 5504 ) 4 𝐵𝑇𝑈 ∆ℎ = −2616 𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙
∆ℎ = 7.053(200 − 550) +
2.4. Poder Calorífico Superior de un Combustible Para determinar el Poder Calorífico Superior de un combustible se efectúa un análisis teórico del volumen de control a presión constante sin intercambio de trabajo. Supongamos que 1 kmol de combustible y reactantes entran al volumen de control en condiciones estándar y salen en las mismas condiciones. En el proceso se extrae una máxima cantidad de calor cuando los productos son enfriados hasta la temperatura de entrada y el agua resultante se condensa. La ecuación de la conservación de energía para un reactor de presión constante está dada por: −𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 = 𝐻𝑅 − 𝐻𝑃
(2.4.1)
Donde HR y HP son las respectivas entalpías de los productos y los reactantes. El valor negativo de −𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 indica que ha existido transferencia de calor del sistema hacia los alrededores. De lo anterior se puede concluir que el
poder calorífico de un combustible es la diferencia entre las entalpias de los reactantes y las entalpías de los productos. Sin embargo, en 73
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sistemas de combustión, la evaluación de las entalpías no es directa debido a que las especies que entran al sistema son diferentes a aquellas que salen del sistema debido a las reacciones químicas ocurridas. El calor de reacción 𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 también es referido como entalpía de reacción o calor de reacción. El subíndice p indica que el valor ha sido calculado a presión constante, es decir que la entalpia de reacción se relaciona con la entalpia de combustión a través de la siguiente igualdad: 𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 = −𝑄𝐶 Evaluación del Calor de Combustión a partir de un Reactor de Presión Constante Usando la ecuación (2.4.1) de la energía,−𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 = 𝐻𝑅 − 𝐻𝑃 , se puede evaluar las entalpías de los reactantes y productos a partir de la inserción del total de las entalpías: ̂ 𝑖,𝑅 + ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑅 ) − ∑ 𝑁𝑖,𝑃 (∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 + ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑃 ) −𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑝 = 𝐻𝑅 − 𝐻𝑃 = ∑ 𝑁𝑖,𝑅 (∆ℎ° 𝑖
𝑖
̂ 𝑖,𝑅 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 ] + ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑅 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ℎ° ̂ 𝑠𝑖,𝑃 = [∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ°
(2.4.2)
Donde Ni es el número de moles de la especie i. Las entalpías sensibles de los reactantes y productos comunes pueden ser encontradas en los Anexos 1 y 2. Los productos salen en las mismas condiciones que los reactantes. La cantidad de transferencia de calor desde el reactor a los alrededores se define como poder calorífico. En condiciones estándar, el término de la entalpia sensible se cancela tanto para los reactantes como los productos y el calor generado se define como: ̂ 𝑖,𝑅 -∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ°
(2.4.3)
En estas pruebas, generalmente, se usa exceso de aire para asegurarse una combustión completa. La cantidad de exceso de aire no afectará el valor de −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 en condiciones estándar. El agua en el producto en condiciones 74
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estándar será líquida. En tal caso, el Poder Calorífico Superior de un combustible será determinado por la siguiente expresión: 𝑃𝐶𝑆 =
−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝
(2.4.4)
𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
El signo negativo delante de −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 asegura que el PCS es positivo. Evaluación del Calor de Combustión a partir de un Reactor de Volumen Constante Un reactor de volumen constante es más conveniente que un reactor a presión constante para determinar experimentalmente el PCS de un combustible. Para un sistema cerrado donde no hay interacción de trabajo, la ecuación de la energía es: (2.4.5)
−𝑄𝑟𝑥𝑛,𝑣 = 𝑈𝑅 − 𝑈𝑃
El análisis para un proceso a volumen constante es el mismo que para un proceso a presión constante en lo que se refiere a los cambios de energía en los ligamentos de enlaces químicos. La energía interna será evaluada a partir de la ecuación de la entalpia: ℎ = 𝑢 + 𝑝𝑣 por unidad másica y la relación en función molar será ℎ̂ = 𝑢̂ + 𝑅̂𝑢 𝑇, en condiciones estándar (T = T0 = 25°C), la energía interna total de los reactantes, UR, dentro del sistema cerrado será: 𝑈𝑅 = 𝐻𝑅 − 𝑃𝑉 = 𝐻𝑅 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 𝑅̂𝑢 𝑇𝑜 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ̂°𝑖,𝑅 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 𝑅̂𝑢 𝑇0
(2.4.6)
La energía interna total de los productos es evaluada de igual manera: 𝑈𝑃 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ̂°𝑖,𝑃 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 𝑅̂𝑢 𝑇0
(2.4.7)
Usando ambas expresiones de la energía interna en términos de las entalpías se tiene que: −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 = 𝑈𝑅 − 𝑈𝑃
(2.4.8)
−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ̂°𝑖,𝑅 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 𝑅̂𝑢 𝑇0 − [∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ̂°𝑖,𝑃 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 𝑅̂𝑢 𝑇0 ]
(2.4.9)
75
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−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ̂°𝑖,𝑅 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ̂°𝑖,𝑃 + (∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 )𝑅̂𝑢 𝑇0
(2.4.10)
Por lo tanto, el PCS de un proceso de combustión se calcula como: 𝑃𝐶𝑆 =
−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 −(∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 −∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 )𝑅̂𝑢 𝑇0 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
(2.4.11)
Donde 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 es el número de moles del combustible quemado y 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 es el peso molecular del combustible. El signo negativo delante de 𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 es para asegurar que el PCS sea positivo. Para un combustible típico de la forma 𝐶𝛼 𝐻𝛽 𝑂𝛾, la diferencia entre y −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 es: 𝛽
𝛾
4
2
−(∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 − ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 )𝑅̂𝑢 𝑇0 = ∆𝑁𝑅̂𝑢 𝑇𝑜 = ( + − 1) 𝑅̂𝑢 𝑇0
−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣
(2.4.12)
Esta expresión es muy pequeña, por lo tanto se puede concluir que el PCS no varía si se lo obtiene en un proceso a presión constante o a volumen constante. El término Poder Calorífico Superior PCS (también llamado poder calorífico alto o poder calorífico bruto) se usa cuando el agua formada en los productos está condensada. Ejercicio: 2.4.1: Calcular el PCS del metano por unidad de masa a 298°K con aire teórico o estequiométrico. 𝐶𝐻4 + 2(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2 𝑂 + 7.52𝑁2
Fig. 8. Cámara de Combustión como Volumen de Control
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Nótese que tanto en los reactantes como en los productos se tiene elementos básicos como el O2 y el N2 y también elementos compuestos como CH4, CO2, y el H2O. Cuando el elemento es compuesto, entonces al 𝑜 cambio de la entalpía se le llama Entalpía de Formación, denotada por ∆ℎ̂𝑖 . Elemento 𝐶𝐻4 𝑂2 𝑁2 𝐶𝑂2 𝐻2 𝑂𝑙í𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 𝐻2 𝑂𝑔𝑎𝑠 𝑁2
Entalpía de Formación ̂ 𝒊, ∆𝒉° MJ/kmol -74.87 0 0 -393.52 -285.80 -241.83 0
Se debe considerar que existe la suficiente transferencia de calor que tanto los reactantes como el producto están a 298°K, 1 atm (condiciones estándar) y el agua del producto de la combustión se halla en estado líquido. Además, siendo que no existe cambio de energía sensible, entonces corresponde usar las ecuaciones (2.4.3) y (2.4.4) ̂ 𝑖,𝑅 -∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ° = [1(−74.87) + 2(1 ∙ 0) + 2(3.76 ∙ 0)] − [1(−393.52) + 2(−𝟐𝟖𝟓. 𝟖) + 7.52(0)] −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = 890.25 MJ/kmol 890.25𝑀𝐽⁄𝑘𝑚𝑜𝑙
−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 𝑃𝐶𝑆 = = = 55.64𝑀𝐽/𝑘𝑔𝐶𝐻4 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 1𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 ∙ (12 + 4)𝑘𝑔⁄ 𝑘𝑚𝑜𝑙
Este calor es llamado Entalpía de Combustión o Poder Calorífico del Combustible. Si en el producto se considera agua líquida, entonces el 77
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resultado se conoce como el Poder Calorífico Alto (como en este primer caso); sin embargo, si en el producto el agua está en fase gaseosa o vapor de agua, entonces el resultado es el Poder Calorífico Inferior o Bajo del combustible. La entalpía de combustión o Poder Calorífico es la máxima cantidad de calor que puede emitir o generar un combustible dado. 890.25𝑀𝐽⁄𝑘𝑚𝑜𝑙
−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 𝑃𝐶𝑆 = = = 55.64𝑀𝐽/𝑘𝑔𝐶𝐻4 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 1𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 ∙ (12 + 4)𝑘𝑔⁄ 𝑘𝑚𝑜𝑙
Considerando el segundo caso, en el que el agua del producto está en estado gaseoso o vapor, se tiene: ̂ 𝑖,𝑅 -∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ° = [1(−74.87) + 2(1 ∙ 0) + 2(3.76 ∙ 0)] − [1(−393.52) + 2(−𝟐𝟒𝟏. 𝟖𝟑) + 7.52(0)] −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = 802.31 802.31𝑀𝐽⁄𝑘𝑚𝑜𝑙
−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 𝑃𝐶𝐼 = = = 50.15𝑀𝐽/𝑘𝑔𝐶𝐻4 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 1𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐶𝐻4 ∙ (12 + 4)𝑘𝑔⁄ 𝑘𝑚𝑜𝑙
De este ejemplo se puede concluir que el PCI es aproximadamente el 90% del PCS y para fines prácticos se puede asumir esta relación como constante. Ejercicio 2.4.2: Calcular la entalpía de combustión del ciclohexano con oxígeno puro: Solución:
𝐶2 𝐻6 + 3.5𝑂2 → 2𝐶𝑂2 + 3𝐻2 𝑂 ̂ 𝑖,𝑅 -∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 ∆ℎ° ̂ 𝑖,𝑃 −𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = ∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 ∆ℎ°
−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = [1(−84.64) + 3.5(0)] − [2(−393.52) + 3(−285.8)] = 1559.8 𝑀𝑗/𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑝 = −1559.8 𝑀𝑗/𝑘𝑚𝑜𝑙
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2.5. Poder Calorífico Inferior de un Combustible El Poder Calorífico Inferior (también llamado poder calorífico bajo o poder calorífico neto) se usa cuando el agua formada en los productos de combustión está en fase vapor. La siguiente expresión sirve para relacionar ambos poderes caloríficos: 𝑃𝐶𝑆 = 𝑃𝐶𝐼 + (
Donde:
𝑚𝐻2𝑂 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
) ℎ𝑓𝑔 𝐻2𝑂(25°𝐶)
(2.5.1)
es la masa del agua generada en el proceso, 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 es la masa del combustible y ℎ𝑓𝑔 𝐻2𝑂(25°𝐶) es la entalpía de vaporización del agua que se debe buscar en tablas de vapor a la temperatura estándar igual a 25°C. 𝑚𝐻2𝑂
Los Poderes Caloríficos Superior e Inferior normalmente se obtienen a presión constante; sin embargo, en la nomenclatura ya no es necesario expresarlo. En la práctica no es necesario determinar el PCS y el PCI de la manera que se propone líneas arriba ya que existen tablas donde se dan los poderes caloríficos de los combustibles más comunes, a menos que se trate de un combustible o compuesto particular, o donde las temperaturas de referencia sean diferentes. La siguiente tabla muestra poderes caloríficos de diferentes combustibles.
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Tabla N°16 Poderes Caloríficos
Poderes Caloríficos Altos de Combustibles Combustible Hidrógeno Metano Etano Propano Butano Gasolina Parafina Diésel Carbón Madera Turba Metanol Etanol Propanol Acetileno Hidracina Hexamina Carbón
MJ/kg 141.8 55.5 51.9 50.35 49.5 47.3 46 44.8 15 - 27 15 6-15 22.7 29.7 33.6 49.9 19.4 30.0 32.8
Btu/lb 61100 23900 22400 21700 20900 20400 19900 19300 8000 - 14000 6500 2500 - 6500 9800 12800 14500 21500 8370 12900 14100
KJ/mol 286 890 1560 2220 2877 ~ 5400 16300 ~ 4480 200 - 350 350 726 1368 2020 1300 622 4200 393.5
Fuente: Fundamentals of Combustion Processes McAllister, S. Chen 2011
Para determinar el PCS o PCI de una mezcla gaseosa de combustibles, se debe acudir a una tabla con los datos de poderes caloríficos y usar la siguiente fórmula que solamente se usa en base a volúmenes y no a masas: PCS = ∑ni Xi PCSi
PCI = ∑ni Xi PCIi
(2.5.2)
Ejercicio 2.5.1: Un GLP boliviano está compuesto por 60% de propano y 40% de butano en volumen. Hallar el PCS a partir de tablas y luego calcular el PCI. (0.6𝐶3 𝐻8 + 0.4𝐶4 𝐻10 ) + 5.6(𝑂2 + 3.76𝑁2 ) → 3.4𝐶𝑂2 + 4.4𝐻2 𝑂 + 21.056𝑁2
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n
PCSGLP = ∑ Xi PCSi = 0.6 ∙ i
𝑀𝐺𝐿𝑃 =
2220MJ 2877MJ Mj + 0.4 ∙ = 2482.8 ⁄kmol kmol kmol
0.6𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶3 𝐻8 (3 ∙ 12 + 8 ∙ 1)𝐾𝑔 0.4𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶4 𝐻10 (4 ∙ 12 + 10 ∙ 1)𝐾𝑔 49.6𝑘𝑔 𝐺𝐿𝑃 ∙ + ∙ = 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐺𝐿𝑃 1𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶3 𝐻8 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐺𝐿𝑃 1𝑘𝑚𝑜𝑙𝐶4 𝐻10 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐺𝐿𝑃 PCSGLP = 2482.8
MJ GLP 1 kmol GLP 𝐌𝐉 ∙ = 𝟓𝟎. 𝟎𝟔 kmol GLP 49.6 Kg GLP 𝐤𝐠 𝐆𝐋𝐏
Para hallar el PCI se usará la ecuación (2.5.1): 𝑚𝐻2𝑂 𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 − ( )ℎ ∗ 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑓𝑔 𝐻2𝑂(25°𝐶)
De la ecuación de combustión del GLP: 4.4 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 18 𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐺𝐿𝑃 𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 ∙ ∙ = 1.597 ⁄𝑘𝑔 𝐺𝐿𝑃 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐺𝐿𝑃 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝐻2 𝑂 49.6𝑘𝑔 𝐺𝐿𝑃 𝑚𝐻2𝑂 𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 − ( )ℎ = 𝑚𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑓𝑔 𝐻2𝑂(25°𝐶) kJ 1.597𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 kJ 46159.7kJ = 50060 −( ) 2442.3 = kg GLP 𝑘𝑔 𝐺𝐿𝑃 𝑘𝑔 𝐻2 𝑂 kg 𝑷𝑪𝑰 = 𝟒𝟔. 𝟏𝟔 𝑴𝑱/𝒌𝒈 ℎ𝑓𝑔 𝐻2𝑂(25°𝐶) ∗ Se
debe hallar en tablas de vapor saturado a la temperatura de
25°C. Determinación Experimental del PCS: La Bomba Calorimétrica El método experimental para determinar el poder calorífico superior de una muestra de combustible consiste en hacer uso de la bomba calorimétrica que es un recipiente de acero cerrado a prueba de explosiones y cuyo volumen no cambia durante la reacción. En el interior de la bomba se coloca 81
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la muestra de combustible, la cual está en contacto con una resistencia eléctrica que genera calor; la bomba calorimétrica es inyectada con oxígeno a presiones mayores de 30 bar. La bomba es sumergida en agua u otro líquido que absorba el calor de combustión. Luego se mide el calor absorbido por la bomba y el agua a través de sus calores específicos; con estos datos se determina el PCS del combustible. El combustible se quema con el suficiente combustor (oxígeno) para lograr una combustión completa en el sistema cerrado. El sistema luego es enfriado a temperatura ambiente hasta que la temperatura final sea igual a la inicial. Se aplica la conservación de la energía de la primera Ley de la termodinámica para el análisis: 𝑈𝑃 − 𝑈𝑅 = 𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣
(2.5.3)
Fig. 9. Bomba Calorimétrica Fuente: S. McAllister et al., Fundamentals of Combustion Processes, Mechanical Engineering Series, 2011
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Debido a que la temperatura final es similar a la temperatura ambiente, el agua en los productos de combustión está usualmente en fase líquida; por lo tanto se puede usar las ecuaciones del PCS a volumen constante, es decir: 𝑃𝐶𝑆 =
−𝑄°𝑟𝑥𝑛,𝑣 −(∑𝑖 𝑁𝑖,𝑃 −∑𝑖 𝑁𝑖,𝑅 )𝑅̂𝑢 𝑇0 𝑁𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑀𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒
(2.5.4)
Si los productos de la combustión presentan una temperatura final ligeramente mayor a la de los reactantes (
