Práctica de Termodinámica Aplicada

Práctica de termodinámica aplicada: combustión

Ejercicio 1: Considere una caldera de generación de vapor en la cual el análisis ORSAT de los humos arrojó los siguientes valores:

CO2 = 12% O2 = 3% CO = 1%

El aire y el combustible son suministrados a una temperatura de 20ºC. La presión atmosférica es de 101,3 kPa y la humedad relativa de 60%.

Calcule:

a) El exceso de aire,b) Relación combustible aire,c) La composición del combustible utilizado,d) La composición de los humos referido a 1 kg de combustible,e) La temperatura de combustión adiabática.

Considere la siguiente información complementaria:

Poder calorífico inferior del combustible PCI = 42,855 MJ/kg a 25ºCCapacidad calorífica del combustible cc = 1880 kJ/kgKPoder calorífico inferior del CO PCICO = 10,112 MJ/kg a 25ºC

Solución:

Como se da la composición de gases secos, entonces el porcentaje de N2 es:

N2 = 100 – 12 – 3 – 1 = 84 %

Si suponemos que el combustible está compuesto por carbono e hidrógeno, con una fórmula química CmHn, por lo que su reacción está dada por:

x CmHn + y (O2 + 79/21 N2) 12 CO2 + 3 O2 + CO + 84 N2 + z H2O

N: y 79/21 = 84 y = 22,33

O: 2y = 2×12 + 2×3 + 1×z z = 13,66

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Práctica de Termodinámica Aplicada

C: x×m = 12 + 1

H: x×n = 2×zç

De los últimos balances tenemos que:

Si m = 1, luego:

n = 2,1 x = 13

Así el balance nos queda:

13 CH2,1 + 22,33 (O2 + 79/21 N2) 12 CO2 + 3 O2 + CO + 84 N2 + 13,66 H2O

Ahora podemos calcular la cantidad de vapor de agua que acompaña al aire seco. Los kmoles de aire seco son:

22,33 (1+79/21) = 106,33 kmoles de aire seco

La presión parcial del vapor de agua en el aire ambiente es:

Asumiendo que la mezcla se comporta como un gas ideal:

Por lo que finalmente tenemos:

13 CH2,1 + 22,33 (O2 + 79/21 N2) + 1,494 H2O 12 CO2 + 3 O2 + CO + 84 N2 + (13,66 + 1,494) H2O /13

CH2,1 + 1,72 (O2 + 79/21 N2) + 0,115 H2O 0,923 CO2 + 0,231 O2 + 0,077 CO + 6,46 N2 + (1,051 + 0,115) H2O

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Práctica de Termodinámica Aplicada

El aire estequiométrico está dado por:

CH2,1 + aest (O2 + 79/21 N2) CO2 + 1,05 H2O + aest 79/21 N2

O: 2 aest = 2 + 1,05 = 3,05 aest = 1,525

El porcentaje de aire teórico o exceso de aire está dado por:

El combustible es quemado con 12,8 % de exceso de aire.

La relación combustible aire está dada por:

Los kmoles de gases de combustión referidos a 1 kg de combustible son:

CO2 0,923/14,1 = 0,065 kmol/kgcomb

O2 0,231/14,1 = 0,016 kmol/kgcomb

CO 0,077/14,1 = 0,0055 kmol/kgcomb

N2 6,46/14,1 = 0,458 kmol/kgcomb

H2O 1,166/14,1 = 0,083 kmol/kgcomb

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Práctica de Termodinámica Aplicada

El balance de la reacción de combustión está dado por:

Donde:

qr = PCI = 42855 kJ/kgcomb

Así obtenemos que:

qg = 42855 – 51 – 6 – 1558 = 41240 kJ/kgcomb

Por otro lado:

La temperatura adiabática de combustión Tg se obtiene por iteración:

Tg = 1500 ºC

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Práctica de Termodinámica Aplicada

Tg = 1700 ºC 38240 kJ/kgcomb

Tg = 1800 ºC 40793 kJ/kgcomb

Tg = 1900 ºC 43353 kJ/kgcomb

La solución final es Tg = 1818 ºC

Ejercicio 2: Un motor es alimentado con combustible (CH1,95) y aire seco a 20ºC: Se posee la siguiente información:

Temperatura de los gases de escape: 700ºCConcentración de CO en los gases de escape (gases secos): 2 %Flujo de aire: 0,046 kg/sFlujo de gasolina: 0,003 kg/s

Las características del combustible son:

PCI = 44 MJ/kgcomb a 25ºCcc = 2,4 kJ/kgK

Además se sabe que para el CO el PCI es 10,110 MJ/kgCO a 25 ºC.

Calcule las pérdidas debido al combustible no quemado y la potencia aportada al motor por la combustión.

Solución:

El balance térmico de los cilindros está dada por:

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qg

Tg

qe

Te

qútil

Cilindros

Práctica de Termodinámica Aplicada

Así el calor útil será: qútil = qg - qe

Donde qg = qr – qa – qc - qCO

qútil = qr – qa – qc - qCO - qe

La reacción del combustible y el aire está dada por:

CmHn + (1+e) (m+n/4) (O2 + 79/21 N2) s CO2 + t CO + u H2O + v O2 + w N2

C: m = s + t s = m – t

H: n = 2u u = n/2

O: 2 (1+e) (m+n/4) = 2 s + t + u + 2 v = 2 (m-t) + t + n/2 + 2 vv = (1+e) (m + n/4) – m – n/4 + t/2v = e (m + n/4) + t/2

N: 2 (1 + e) (m + n/4) 79/21 = 2 w w = (1 + e) 79/21 (m + n/4)

El % de CO en el escape en comparación a los gases secos es:

En esta ecuación desconocemos solamente t y e (exceso de aire). Pero e, se puede obtener de la relación combustible aire:

Por otro lado sabemos que la relación combustible aire está dada por la ecuación siguiente:

e = 4,7 % t = 0,14

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Práctica de Termodinámica Aplicada

CH1,95 + 1,557 (O2 + 79/21 N2) 0,86 CO2 + 0,14 CO + 0,975 H2O + 0,14 O2 + 5,859 N2

Así los gases referidos a 1 kg de combustible son:

CO2 : 0,86/13,95 = 0,0616

CO : 0,14/13,95 = 0,01

H2O : 0,975/13,95 = 0,0699

O2 : 0,14/13,95 = 0,01

N2 : 5,859/13,95 = 0,42

Resolviendo para los calores involucrados en los balances:

qr = PCI = 44000 kJ/kgcomb

Así el calor útil y las pérdidas por combustible no quemado son:

qútil = 44000 – 78 – 12 – 2832 – 12793 = 28285 kJ/kgcomb

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Práctica de Termodinámica Aplicada

Ejercicio 3: Una caldera alimentada con petróleo genera una potencia útil de 25 kW. Las pérdidas de calor al ambiente son estimadas a 500 W. El exceso de aire es de un 10%. Las temperaturas del aire y del combustible a la entrada de la caldera son de 10ºC y los gases de combustión salen a 200ºC en la chimenea. Se pide determinar el consumo de combustible.

Datos complementarios:

Composición másica del combustible: 86 % de C y 14 % de HPoder calorífico inferior, PCI = 42,43 MJ/kgcomb a 25ºCCalor específico del combustible cc = 2 kJ/kgcombK

Solución: CmHn, e = 0,1

El balance térmico de la caldera se obtiene considerando el siguiente volumen de control:

qg = qamb + qch + qútil

qr – qa – qc = qamb + qch + qútil

qútil = qr – qa – qc – qamb – qch

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qg

Tg

qe

Te

qútil

Cilindros

qamb

Práctica de Termodinámica Aplicada

La reacción está dada por:

CmHn + (1+e) (m+n/4) (O2 + 79/21 N2) m CO2 + n/2 H2O + (m + n/4) [e O2 + (1+e) 79/21 N2]

CO2 : 0,0717

H2O : 0,07

O2 : 0,01067

N2 : 0,442

qr = 42430 kJ/kgcomb

qa = 0,117 (1+79/21) (8649 – 8212) = 243 kJ/kgcomb

qc = 2 (25 – 10) = 30 kJ/kgcomb

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