maquinas termicas.pdf

5/25/2018 Maquinas termicas.pdf

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TERMODINMICA Y MQUINAS TRMICAS

T 07.- Combustin

Objetivos:

El objetivo de este tema es realizar un anlisis general de la combustin y delos combustibles, as como la aplicacin de balances de materia y energa asistemas reactivos.


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1.- Introduccin2.- Propiedades de la combustin

3.- Combustibles

4.- Termodinmica de la combustin

T 07.- COMBUSTIN

1.- Introduccin (I)

La combustin es una oxidacin rpidaCombustible (C e H2)

Comburente (O2)Productos de la Combustin (PdC)

(cenizas y humos)

Calor

+ +

CO2, CO, H2O,


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Los elementos bsicosque reaccionan son: El oxgeno del aire como comburente (aprox. 1m3por kWh) El carbono y el hidrgeno del combustible Otros elementos (azufre), e inertes (cenizas)

Reacciones del Carbono :!C + O2= CO2 + 32.780 MJ/kg!

C + 1/2 O2= CO + 9.188 MJ/kg

!CO + 1/2 O2= CO2 + 10.111 MJ/kg

La reaccin del Hidrgenoes:!H2+ 1/2 O2= H2O (v) + 118.680 MJ/kgSi el agua se condensa:!H2+ 1/2 O2= H2O (l) + 142.107 MJ/kg

La reaccin deAzufrees:!S + O2= SO2+ 2.957 MJ/kg Inertes!cenizas

1.- Introduccin (II)

Se debe realizar aun nivel trmico aprovechable

El quemador es el encargado de realizar la mezcla(combustible-oxgeno del aire)

T 07.- COMBUSTIN


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2.- Propiedades de la Combustin (I)

La cantidad de calor por unidad de masa (o volumen) que desprende uncombustible al quemarse es el Poder Calorfico(kJ/kg, kJ/Nm3)

PCI(el agua de los humos no condensa) PCS(condensa el agua de los humos)

La relacin PCI / PCS

depende de la cantidad deH del combustible

G.N.

Aire

Agua fra Agua caliente

Humos

AguaLiq P.C.S.

AguaVap P.C.I.

Aire

Aire

Aire

T 07.- COMBUSTIN


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Combustin estequiomtrica es una combustin con las proporciones justasde combustible y oxgeno para que todo el C del combustible se oxide a CO2(sin producir CO, ni emplear exceso de aire)

La composicin del combustible marca el O2necesario

C + O2= CO2 12 g de C necesitan 22,4 litros de O2 H2+ 1/2 O2= H2O 2 g de H2necesitan 11,2 litros de O2 S + O2= SO2 32 g de S2necesitan 22,4 litros de O2

Terica

Aire y 79% N2+ 21% O2

Aire tericom3/Nm3

PCIm3aire / kWh

kCal/Nm3 kWh/Nm3

Gas natural 9,3 9.228 10,73 0,87

Butano 31 26.253 30,5 1,016

Propano 23,9 20.484 23,8 1

Poder Comburvoro: aire necesario para la combustin estequiomtrica de 1 m3de gas

2.- Propiedades de la Combustin (II)

Se necesita un 4,76 ms de aire que de O2

T 07.- COMBUSTIN


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El exceso de airenecesitado para producir combustiones completas depende dela homogeneidad de la mezcla aire-combustible que se consiga en el quemador

Contribuye a disminuir la T final y el nivel energtico de los humos

se necesita para combustin completa, pero no es deseablecon combustibles gaseosos aprox. el 10% del estequiomtrico

En la combustin completatodo el carbono se oxida en CO2(para que se produzca en condiciones reales necesita exceso de aire)

La combustin incompletase produce si existe combustible inquemado o CO

en los humos(se puede producir por falta de O2, o por mala mezcla aire-combustible)

El Indice de aireacines la relacin entre el aire aportado a una combustin y el precisopara una combustin estequiomtrica

(y1m3/kWh)

2.- Propiedades de la Combustin (III)

T 07.- COMBUSTIN


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Aire (10,4 m3)

(21% es O2)

GN (1 m3)CO2+ N2(9,5 m3)

Vol (CO2+N2)

Poder Fumgeno Seco

Vapor agua (2 m3)

+

+

Vol (CO2+N2+Vapor agua)Poder Fumgeno Hmedo

Poder Fumgeno: gases de combustin producidospor la combustin estequiomtrica de 1 m3de gas

2.- Propiedades de la Combustin (IV)

T 07.- COMBUSTIN


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Inflamabilidad: medida de la facilidad que presenta un combustible para encendersey de la rapidez con que, una vez encendido, se diseminarn sus llamas

Necesita que la proporcin de O2est en un rango (ni defecto de O2ni de combustible)

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%Aire

Proporcin

95 - 85%

Proporcin

5 - 15%

100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%G.N.

Exceso de aire Escasez de aire

Lmite superior de inflamabilidadLmite inferior de inflamabilidad

2.- Propiedades de la Combustin (V)

T 07.- COMBUSTIN


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Propano 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Proporcin2,2 - 9,5%

Proporcin97,8 - 90,5%

Aire 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

Exceso de aire Escasez de aire

Lmite superior de inflamabilidadLmite inferior de inflamabilidad

Butano 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Proporcin1,7 - 8,5%

Proporcin98,3 - 91,5%

Aire 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

Lim. Inf. Inf. Lim. Sup. Inf.

2.- Propiedades de la Combustin (VI)

T 07.- COMBUSTIN


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Punto de rocohmedo y cido !limitan la temperatura de los humos

Gas Natural 155 gr.agua/kWh !(T humos mayor) Gasleo C 87 gr.agua/kWh SO3+ H2O = SO4H2 T > 130C

Tsuperficies> Troco

Tubos de la caldera de doble pared (aumento del A intercambio) Mantener la temperatura de retorno a la caldera alta con un bypass Calderas de condensacin (materiales resistentes)

Si Tsup= Trocoempieza la condensacin(no implica la condensacin de todo el vapor

El exceso de airedisminuye la Troco

TrocoGN 53CTrocogasleo

47C

2.- Propiedades de la Combustin (VII)

T 07.- COMBUSTIN


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Gas Natural Propano Butano

Trainflamacin (C) 580 493 482

T de Inflamacin: valor mnimo de T al cual debe ser llevada una mezcla (enproporciones de ser inflamable) para que la combustin pueda comenzar y propagarse

T adiabtica de combustin: es la T que se obtendra en una combustinestequiomtrica; aumenta con la potencia calorfica del combustible

T real de llama: es entre 200 y 300C inferior a la adiabtica

Gas Natural Propano Butano

Traadiabtica (C) 1.940 1.998 1.900

2.- Propiedades de la Combustin (VIII)

T 07.- COMBUSTIN


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El N2se oxida si la T de la llama es elevada produciendo NOx

La llama Azulno produce emisiones de NOx

2.- Propiedades de la Combustin (IX)

T 07.- COMBUSTIN


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El N2se oxida si la T de la llama es elevada produciendo NOx

La llama Azulno produce emisiones de NOx

Quemadorrefrigeradopor agua

2.- Propiedades de la Combustin (IX)

T 07.- COMBUSTIN


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Son compuestos de CARBONO e HIDROGENO (Hidrocarburos)

C HH

H

HC HH

H

C HHH

C HH

H

C HH

C HH

H

C HHC HH

H

C HH

H

C HH

Metano

EtanoPropano

Butano

3.- Combustibles (I)

T 07.- COMBUSTIN


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3.- Combustibles (II)

Los combustibles se clasifican en: slidos, lquidos y gases.

Slidos

Lquidos

Gaseosos

Lea

Carbn

Gasolina

Gasoil

Fueloil

Gas Natural

Gas Ciudad

Butano

Propano

m3medido en condicionesnormales (1 bar y 0C)

m3N

T 07.- COMBUSTIN


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Propiedadesde los combustibles (I):

Potencia o poder calorfico; el superior y el inferior Poder comburvoro Indice de aireacin Poder Fumgeno; el seco y el hmedo Inflamabilidad; lmites inferior y superior Punto de roco; hmedo y cido T de Inflamacin T de Llama Velocidad de propagacin de la llama: en un frente gaseoso

3.- Combustibles (III)

T 07.- COMBUSTIN


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Propiedadesde los combustibles (II)

Indice Wobbe; (combustibles gaseosos), es el cociente entre el PCSy la raz cuadrada de la densidad relativa respecto del aire (MJ/m3)

Gases obtenidos de naftas, coquera y aires metanadosW entre 5.300 y 7.500 kcal/Nm3

PCS alrededor de 4.200 kcal/Nm3

Gases obtenidos directamente de pozos de extraccin

W entre 9.800 y 13.800 kcal/Nm3

PCS entre 8.500 y 11.500 kcal/Nm3.

Ligero

Ligero

Fracciones ligeras del petrleo

W entre 19.800 y 21.900 kcal/Nm3

PCS entre 25.200 y 31.200 kcal/Nm3

Familia A:Gases manufacturados

Familia B:Gas Natural (Metano)

Familia C:G.L.P. (Propano y Butano) Pesados

3.- Combustibles (IV)

T 07.- COMBUSTIN


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La composicin y propiedades de los combustiblesgaseososson:

(%) Gas Natural Propano Butano

Metano (%) 89 0 0

Etano (%) 5 0,5 0,5

Propano (%) 2,5 87,5 9

Butano (%) 1 5,5 59,5

Isobutano (%) 0 6,5 31

PCS (kWh/Nm3) "12 "25,6 "32,9

Densidad relativa Ligero "0,62 Pesado "1,5 Pesado "2

Licuefaccin SecoToxicidad No txico, inodoro e incoloro

Odorizantes THT Mercaptanos

g CO2/kWh 174,3 233,2 239

3.- Combustibles (V)

T 07.- COMBUSTIN


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Los combustibles slidos, importan el carbono fijo, la humedad, las cenizasy las materias voltiles; mala mezcla con el aire, ensucian superficies

Los combustibles lquidos,fueloleo (#S2), y gasleo CDistribucin en camiones cisterna y almacenamiento en un depsito central,

alcanzando la caldera por una red de tuberas

Los combustibles gaseosos, butano, propano, gas naturalComposicin variable, y el suministro puede ser por medio de canalizaciones a altabaja o media presin, con depsitos fijos o con depsitos mviles (bombonas);necesitan vaporizacin

3.- Combustibles (VI)

T 07.- COMBUSTIN


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4.- Termodinmica de la Combustin (I)

P.C.I. = P.C.S. 2500 mH2O

m !tanto por 1 en masa

r !fraccin molar

Slidos y Lquidos

Gases

T 07.- COMBUSTIN


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4.- Termodinmica de la Combustin (II)

Combustible + ( O2+ 3,76 N2) ! CO2+ H2O + N2

Reaccin Estequiomtrica o Terica

Combustible + (O2 + 3,76 N2) !CO2+ H2O + N2 + O2! >1

Combustible + (O2 + 3,76 N2) !CO2+ H2O + N2 + CO

Reaccin Real $>1 !exceso de aire$


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4.- Termodinmica de la Combustin (III)

Para un HidroCarburo (CxHy)

Reaccin Estequiomtrica

Reaccin Real

! >1

!


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4.- Termodinmica de la Combustin (IV)

Influencia de la Humedad del Aire

Combustin completa

Humedad por H2del combustible

Humedad PorH2del aire

T 07.- COMBUSTIN


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4.- Termodinmica de la Combustin (IV)

Combustin Completa en Rgimen Estacionario

CombustinPdC

1

Aire

Q

Combustible 2Reactivos

Se resuleve por kmol de combustible(Ncombustible= 1 kmol)

T 07.- COMBUSTIN


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T O2 N2 CO2 Vapor H2O

K kJ/kmol kJ/kmol kJ/kmol kJ/kmol

298400600800

1.0001.2001.400

1.6001.8002.0002.2002.400

03.0289.249

15.83822.70129.75836.956

44.26951.67959.18966.79274.484

02.9728.895

15.04521.45928.11034.941

41.91348.99256.15663.38070.661

-393.520-389.513-380.605-370.707-360.118-349.041-337.617

-325.947-314.084-302.078-289.951-277.737

-241.820-238.365-231.316-223.820-215.830-207.323-198.342

-188.933-179.157-169.065-158.712-148.139

Entalpa de los Gases de Combustin

4.- Termodinmica de la Combustin (V)

T 07.- COMBUSTIN


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4.- Termodinmica de la Combustin (VI)

Combustin Adiabtica (Q = 0)

CombustinPdC

1

Aire

Q = 0


T2

Temperatura Adiabtica

T 07.- COMBUSTIN


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4.- Termodinmica de la Combustin (VII)

Entalpa de Formacin Cambio de energa relacionado con la formacinde un compuesto, a partir de sus elementos, encondiciones de referencia stndar

CombustinPdC

1

Aire

QCombustible 2

Reactivos

a 25C

O2a 25C

H2O a 25C

T 07.- COMBUSTIN


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4.- Termodinmica de la Combustin (VII)

EntalpadeFormacin Cambio de energa relacionado con la formacinde un compuesto, a partir de sus elementos, encondiciones de referencia stndar

CombustinPdC

1

Aire

QCombustible 2

Reactivos

a 25C

O2a 25C

H2O a 25C

Sustancia 25C Formula Estado hf (kJ/kmol)Dixido de carbono

Vapor de aguaMetanoEtano

PropanoButano

HeptanoOctanoOxgeno

Nitrgeno

CO2H2OCH4C2H6C3H8C4H10

C7H16C8H18

O2N2

gasgasgasgasgasgas

lquidolquido

gasgas

-393.520-241.820-74.870-84.670

-103.840-126.140

-224.390-249.950

00

T 07.- COMBUSTIN


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4.- Termodinmica de la Combustin (VIII)

EntalpadeCombustin Cantidad de energa trmica liberada durante unproceso de combustin a presin constante

CombustinPdC

1

Aire

Q


a 25Ca 25C

Se resuleve por kmol de combustible(Ncombustible= 1 kmol)

T 07.- COMBUSTIN


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4.- Termodinmica de la Combustin (IX)

Balance de Energa en un Motor de Combustin Interna

CombustinPdC

1

Aire

Q


W

Ecuacin de la Energa:

T 07.- COMBUSTIN


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4.- Termodinmica de la Combustin (X)

Eliminacin de Contaminantes en la Combustin

Introduccin de vapor de agua Adicin de NH3 Aminorando la T de la parte ms caliente de la llama Reduciendo el % de oxigeno en el centro de la llama Acortando el tiempo de operacin del combustibleAdicin de lechada de calAdicin de piedra caliza

Ciclones Filtros de mangas Filtros electroestticos

NOx

SOx

Partculas en suspensin

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