Combustion . El análisis de los ciclos de potencia

CAPITULO 1

COMBUSTION

1.- OBJETIVOS

• Comprender los efectos térmicos de las reacciones químicas.
• Analizar los combustibles en función de su estado físico: Sólido. Líquido. Gaseoso
• Definir la combustión como un proceso que cumple con el principio de conservación de masa.
• Derivar las ecuaciones químicas para la combustión con oxígeno.
• Analizar la combustión con oxígeno en los motores de cohete.
• Derivar ecuaciones químicas para la combustión con aire.
• Definir: Relación aire – combustible. Porcentaje de exceso de aire
• Analizar la relación aire - combustible de los motores de combustión interna.
• Definir el calor de formación para un compuesto.
• Usar el calor de formación para calcular el calor de combustión para un proceso de flujo estable.
• Aplicar la ecuación de energía de flujo estable a los procesos de combustión adiabática.

2.- INTRODUCCIÓN

En el curso de Termodinámica 1, se consideraron los sistemas termodinámicos que no reaccionan químicamente es decir, su composición química permanece constante durante un proceso. Incluso en proceso durante los cuales se formaba una mezcla homogénea a partir de dos o más fluidos sin la presencia de ninguna reacción química. En este capítulo se abordan sistemas cuya composición química cambia durante un proceso, sistemas que implican reacciones químicas.

Cuando tiene lugar una reacción química en un sistema, la temperatura del sistema inmediatamente después de la reacción es en general diferente a la temperatura inmediata anterior a la reacción. Para que el sistema recupere la temperatura inicial, debe entregar o captar energía en forma de calor.

El estudio de los efectos térmicos de las reacciones químicas se denomina termoquímica. La termoquímica estudia la evolución calórica que acompaña a las reacciones químicas. Por ejemplo, si se hace reaccionar hidrógeno con oxígeno del aire a 25°C y se extrae energía de manera que la reacción suceda a temperatura constante como se observa en la Figura 1, se deberá extraer 285,83 kJ por mol de hidrógeno que reacciona.

[pic 1]

Figura 1 Reactor químico isotérmico.

Por otra parte, si el reactor está aislado de modo que no pierde calor hacia el entorno, el vapor de agua sale del reactor a temperaturas tan elevadas como 2.548 °C.

Debido a su importancia en la ingeniería, este capítulo enfoca dos tipos particulares de reacciones químicas, conocidas como combustión y explosión, aunque se debe recordar que los principios desarrollados, son igualmente aplicables a cualquier reacción química.

El párrafo siguiente hace un análisis general de los combustibles. Luego se hace un estudio del proceso de combustión para enseguida aplicar los principios de la conservación  de la masa y de la conservación de la energía a sistemas con reacción química. Al respecto se analizará la temperatura de llama y de explosión adiabática, que es la temperatura más alta que una mezcla reactiva puede alcanzar. Por último, se examinan los aspectos de la segunda ley de las reacciones químicas.

3.- COMBUSTIBLES

El análisis de los ciclos de potencia, ya sea que funcionen con vapor o con aire como fluido de trabajo, requiere una entrada de calor al ciclo. Aparte de algunas estaciones nucleares generadores de energía, los ciclos funcionan con una entrada de calor logrado, mediante la combustión de combustible. La combustión es una reacción química mediante la cual el combustible se combina con una fuente de oxígeno para liberar energía térmica. La fuente de oxígeno por lo general es el aire de la atmósfera. Antes de analizar la reacción química implicada en la combustión, es necesario estudiar brevemente la composición de los combustibles.

Los combustibles se pueden clasificar de acuerdo con su estado físico en condiciones normales y se definen como sólidos, líquidos o gaseosos. La mayoría de las estaciones generadores de energía que funcionan en ciclos de potencia de vapor usan carbón como combustible sólido, aunque hay un movimiento hacia el uso de gas natural. Los motores usados para transporte y propulsión de aeronaves funcionan con combustibles líquidos. Los motores industriales de turbina de gas también funcionan con combustibles líquidos o con gas natural.

La fuente de todo combustible es la luz solar, la energía solar que llega a la superficie de la Tierra. Los combustibles sólidos renovables, como la madera y la turba, requieren energía solar para su crecimiento. El carbón, el petróleo y el gas natural representan combustibles fósiles, llamados así porque su creación dependió de las plantas y criaturas que crecieron en la Tierra hace muchos millones de años. Como hace tanto tiempo que se crearon las reservas de combustibles fósiles, representan una cantidad finita que no es renovable. Por desgracia, el suministro de combustibles renovables es limitado y la humanidad continúa usando combustibles fósiles, con la inevitable reducción de sus reservas. Una tarea que enfrentan los ingenieros del siglo XXI es el desarrollo de fuentes alternativas de energía.

Entre los combustibles sólidos se incluyen la madera, la turba y el carbón. En el caso del carbón, el proceso de formación comienza con la turba, un material de alto contenido de humedad formado en los pantanos como resultado de la descomposición de materiales vegetales. En algún punto del proceso de la descomposición, la capa de turba se cubrió de agua y de capas posteriores de desperdicios y sedimentos y la descomposición relativamente rápida se detuvo, comenzando un cambio anaeróbico más lento llamado carbonificación.

El proceso geológico de carbonificación ocurre a alta presión y temperatura y resulta de la pérdida sucesiva del contenido de humedad y de oxígeno y en un enriquecimiento progresivo en carbono, por eso la riqueza de este elemento es tanto mayor cuanto más antiguo es el carbón. Dependiendo del historial y la intensidad de las condiciones de presión y temperatura a las que se somete al material, se producen diversos tipos de carbón.

La composición de estos combustibles varía de una muestra a otra, en la Tabla 1 se presenta una guía general. Los datos de la Tabla 1 se basan en la suposición de que el combustible esté libre de humedad y ceniza. En la práctica, el carbón contiene una pequeña proporción de cada una. La madera y la turba contienen una proporción más alta de humedad, alrededor del 20% en masa.

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