Análisis termodinámico del motor. Análisis de combustión de flujo estacionario con base en la primera ley

ANÁLISIS TERMODINÁMICO DEL MOTOR

Ejemplo: Análisis de combustión de flujo estacionario con base en la primera ley

A una cámara de combustión entra ETANOL LÍQUIDO a 298 K y 1 atm., a razón de 0,18 kg/s. El ETANOL reacciona con aire, que entra a una temperatura de 370 K y 1 atm. Los productos de la combustión salen a 910 K y 1 atm. Para una operación estacionaria y despreciando los cambios de energía cinética y potencial y, si el exceso de aire es de un 12%, determinar el flujo calórico en kW.

C_2 H_5 OH+a (O_2+3,76 N_2 ) → b CO_2+c H_2 O+d〖 N〗_2

C: b=2 b=2

H: 2 x c =6 c=3

O: 2 x b+c=1+2 x a a=3

N: 2 x d=a x 3.76 x 2 d=11,28

La ecuación estequiométrica queda de la siguiente forma:

C_2 H_5 OH+3 (O_2+3,76N_2 )→2 CO_2+3〖 H〗_2 O+11,28〖 N〗_2

Luego, para un 12% de exceso de aire ( = 1,12), se tiene:

C_2 H_5 OH+(3)(1,12)(O_2+3,76N_2 )→a CO_2+b O_2+c〖 H〗_2 O+d N_2

C: a=2 a=2

H: 2 x c=6 c=3

O: 2 x a+2 x b+c=1+3,36 x 2 b=0,36

N: 2 x d=3,36 x 3,76 x 2 d=12,6336

Para un 12% de exceso de aire, la ecuación de reacción equilibrada queda de la siguiente forma:

C_2 H_5 OH+(3)(1,12)(O_2+3,76〖 N〗_2 )→2 CO_2+0,36 O_2+3〖 H〗_2 O+12,6336 N_2

C_2 H_5 OH+3,36 O_2+12,6336 N_2→2 CO_2+0,36〖 O〗_2+3 H_2 O+12,6336 N_2

Luego, se debe evaluar la siguiente ecuación de transferencia de calor para un proceso de combustión de flujo estacionario:

Q ̇_VC/n ̇_C =∑_Productos▒〖n_S∙〗 〖(h ̅_f^0+∆h ̅)〗_Salida-〖∑_(Reactivos )▒n_E ∙(h ̅_f^0+∆h ̅)〗_Entrada

Q ̇_VC/n ̇_C =∑_P▒〖n_S∙〗 〖(h ̅_f^0+h ̅-h ̅^0)〗_S-〖∑_R▒n_E ∙(h ̅_f^0+h ̅-h ̅^0)〗_E

Donde:

n=número de moles

h ̅_f^0=Entalpia estandar de formación

h ̅ = Entalpia sensible en el estado especificado

h ̅^0= Entalpia sensible en estado de referencia estándar (298 K y 1 atm)

C_2 H_5 OH+3,36 O_2+12,6336 N_2→2 CO_2+0,36〖 O〗_2+3 H_2 O+12,6336〖 N〗_2

Productos

n_S x ((h) ̅_f^0+h ̅-h ̅^0)

h ̅_f^0=Entalpia estandar de formación Tabla T08M

h ̅ = Entalpia sensible en el estado especificado 910 K y 1 atm

h ̅^0= Entalpia sensible en estado de referencia estándar (298 K y 1 atm)

n_CO2 x (h ̅_f^0+∆h ̅ )_S=2 x (-393.520+37.935-9.364)=-729.898 kJ/kmol

n_O2 x (h ̅_f^0+∆h ̅ )_S=0,36 x (0+28.272-8.682)=7.052,4 kJ/kmol

n_H2O 〖 x (h ̅_f^0+∆h ̅)〗_S=3 x (-241.820+32.228-9.904)=-658.488 kJ/kmol

n_N2 x (h ̅_f^0+∆h ̅ )_S=12,633 x (0+27.210-8.669)=234.228,45 kJ/kmol

Reactivos

n_E x ((h) ̅_f^0+h ̅-h ̅^0)

h ̅_f^0=Entalpia estandar de formación Tabla T08M

h ̅ = Entalpia sensible en el estado especificado 370 K y 1 atm

h ̅^0= Entalpia sensible en estado de referencia estándar (298 K y 1 atm)

n_C2H5OH 〖 x (h ̅_f^0+∆h ̅)〗_E=1 x (-277.690)=-277.690 kJ/kmol

n_O2 〖 x (h ̅_f^0+∆h ̅)〗_E=3,36 x (0+10.809-8.682)=7.146,72 kJ/kmol

n_N2 〖 x (h ̅_f^0+∆h ̅)〗_E=12,633 x (0+10.763-8.669)=26.453,502 kJ/kmol

Q ̇_VC/n ̇_C =∑_P▒〖n_S∙〗 〖(h ̅_f^0+h ̅-h ̅^0)〗_S-〖∑_R▒n_E ∙(h ̅_f^0+h ̅-h ̅^0)〗_E

Reemplazando los valores obtenemos:

Q ̇_VC/n ̇_C =[-729.898+7.052,4-658.488+234.228,45]-[-277.690+7.146,7+26.453,502]

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