El Proceso de Combustion en MCI

8/13/2019 El Proceso de Combustion en MCI

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EL PROCESO DECOMBUSTIN EN

MOTORES DECOMBUSTIONINTERNA


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EL PROCESO DECOMBUSTIN EN

MOTORES DECOMBUSTION

INTERNASimn J. Fygueroa S

Ingeniero Mecnico. Universidad Nacional de Colombia

Master en Motorizacin Civil. Instituto Politcnico de TurnDoctor Ingeniero Industrial. Universidad Politcnica de ValenciaProfesor Titular. Universidad de los Andes

Profesor Visitante. Universidad de Pamplona

Jess O. Araque M.

Ingeniero Mecnico. Universidad de los AndesMaster of Science. Universidad de IllinoisProfesor Titular. Universidad de los Andes


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Ttulo de la Obra:EL PROCESO DE COMBUSTIN EN MOTORES DECOMBUSTION INTERNA

Autores: SIMN J. FYGUEROA S.JESS O. ARAQUE M.

Editado por: CONSEJO DE ESTUDIOS DE POSTGRADO.UNIVERSIDAD DE LOS ANDESMRIDA, VENEZUELA

1ra. Edicin, 2005

Todos los derechos reservados.Queda prohibida la reproduccin total o parcial de estaobra sin la autorizacin del titular del Copyright

Simn J. Fygueroa S.Jess O. Araque M.

HECHO EL DEPSITO DE LEY

DEPSITO LEGAL: LF 23720046202219

ISBN: 980-11-0816-9


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A la periodoncista BimbiS.F.S.

A mi esposa e hijosJ.A.M.


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PROLOGOEl proceso de combustin en motores alternativos es muy importante;

por esta razn, su adecuado desarrollo asegura la mxima produccin de potencia en el cilindro. Lo anterior est sujeto al cumplimiento de variascondiciones imprescindibles como: introduccin al cilindro de la mayorcantidad de mezcla fresca como resultado de una apropiada limpieza de losgases quemados, formacin de una mezcla de trabajo lo mas homognea

posible para el momento de su encendido y mnima prdida de calor concombustin completa.

El proceso de combustin es complejo debido al gran nmero devariables que involucra y de las cuales depende, lo que amerita estudiarlo

por partes mediante modelos fsico-qumicos aproximados. Existen modelosde combustin de una zona, dos zonas para motores de encendido porchispa, MECH y varias zonas para motores de encendido por compresin,MEC, que requieren de sub-modelos para poder determinar en funcin delcambio de presin y temperatura las propiedades del fluido y el flujo decalor liberado.

El empleo de la Primera Ley de La Termodinmica como herramienta, permite: calcular la cantidad de calor liberado entre lmites de temperaturaestablecidos, determinar las mximas temperaturas que pueden seralcanzadas tericamente durante la combustin y analizar el efecto que tienela presencia de gases residuales sobre la plenitud del proceso de combustin.

Los modelos para determinar la composicin del fluido de trabajodurante el ciclo de operacin del motor bsicamente, incorporan la teora delequilibrio qumico para estudiar la presencia de especies qumicas cuyascaractersticas de formacin y desaparicin son esencialmente dependientesdel cambio de temperatura en la cmara de combustin; sin embargo, cuandolas temperaturas en el cilindro disminuyen durante la carrera de expansin laconcentracin de especies qumicas como el monxido de carbono y losxidos de nitrgeno tienden a mantenerse o a disminuir a menor velocidadrespecto de la temperatura, lo cual implica en estos casos, la utilizacin de


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II El proceso de combustin en motores de combustin interna

combustin interna alternativos; en el segundo captulo se estudian lasaplicaciones de la Primera Ley de la Termodinmica a los sistemas reactivosy finalmente el ltimo captulo presenta el anlisis de la composicin del

fluido de trabajo basado en la teora del equilibrio qumico con introduccinde los conceptos bsicos de cintica qumica.


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CONTENIDO

PROLOGO................... .................. ................. ................. ................. .............. I CONTENIDO ...................................................................................III

Captulo1: COMBUSTION EN MCIA............................................................1 1.1 Introduccin..............................................................................................3 1.2 Glosario.....................................................................................................4 1.3 Sistemas convencionales de encendido por chispa...................................6 1.4 Reseas sobre el proceso de formacin de mezcla en MCIA...................7 Motor de encendido por chispa, MECH ................. ................... ................. ....8 Motor de encendido por compresin, MEC....................................................8 1.5 Tipos de llamas en MCIA.......................................................................10 1.6 Aspectos importantes sobre la combustin en MCIA.............................11 Combustin en MECH ................ .................. .................. ................. ............13 Combustin en MEC ................ .................. .................. ................ ................ 15 1.7 Aspectos generales de la combustin ................... ................. ................ .17

1.8 Propiedades de los combustibles ................ ................... ................. ........20 1.9 Composicin qumica del aire y del combustible ................... ................ 22 1.10 Relaciones combustible-aire................. ................. ................ ............... 23 1.11 Estequiometra de la combustin..........................................................24

Captulo 2: PRIMERA LEY Y SISTEMAS REACTIVOS.... ................... ........29 2.1 Introduccin............................................................................................31 2.2 Primera Ley de la Termodinmica y reacciones qumicas ................... ..31 2.3 Entalpa de formacin.............................................................................33 2.4 Poder calorfico de un combustible ................ ................. .................. .....36 2.5 Eficiencia de la combustin....................................................................38 2.6 Combustin adiabtica ................ ................. .................. .................. ......41

Captulo 3: EQUILIBRIO QUIMICO..................... .................. ................... .47


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IV El proceso de combustin en motores de combustin interna

Captulo 4: CINETICA QUIMICA ...............................................................67 4.1 Introduccin............................................................................................69 4.2 Cintica qumica.....................................................................................69

4.3 Mecanismos qumicos .................. ................ .................. .................. ......80

Captulo 5: CARACTERISTICAS DE LA COMBUSTION ................. ..........85 5.1 Introduccin............................................................................................87 5.2 Caractersticas de la combustin en MCIA. ................ ................... ........87 Combustin en MECH ................ .................. .................. ................. ............87 5.3 Variacin cclica de presin ................. .................. ................... ............. 89 5.4 Factores que afectan la combustin en MECH ................ ................ ......90 5.5 Combustin anormal en MECH ................. ................... ................. ........92 5.6 Combustin en MEC ................ ................... .................. ................. ........94 5.7 Factores que afectan la combustin en MEC ................ ................. ........96 5.8 Problemas de combustin en MEC ................. .................. ................ .....97

Bibliografa...................................................................................................99

Hemerografa ................ .................. ................ .................. .................. ........101

Anexos .................. .................. ................. ................. ................. ................. 103 Tabla A1. Productos de combustin. ................. ................... .................. ....105 Tabla A2. Calor especfico de productos de combustin. ................ ..........106 Tabla A3. Diferencia de entalpa de productos de combustin. ................. 109 Tabla A4. Entropa de productos de combustin........................................112 Tabla A5. Funcin de Gibbs de productos de combustin ............... ..........115 Tabla A6. Clculo de propiedades termodinmicas ................ ................. .118 Tabla A7. Propiedades de hidrocarburos combustibles..............................120 Tabla A8. Clculo de propiedades termodinmicas de combustibles......... 122 Tabla A9. Logaritmo base e de la constante de equilibrio qumico............ 123 Tabla A10. Ajuste de curvas para la constante de equilibrio qumico........125 Tabla A11. Constantes para reaccin global de combustin. ................. ....126


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Captulo 1

COMBUSTION EN MCIA1.1 Introduccin

1.2 Glosario

1.3 Sistemas convencionales de encendido por chispa

1.4 Reseas sobre el proceso de formacin de mezcla en MCIA

Motor de encendido por chispa, MECH

Motor de encendido por compresin, MEC

1.5 Tipos de llamas en motores de combustin interna

1.6 Aspectos importantes sobre combustin en MCIA

Combustin en MECH

Combustin en MEC

1.7 Aspectos generales sobre combustin

Proceso fsico-qumico

Fase gaseosa

Reacciones de oxidacin

Autoinflamacin

Lmites de inflamacin

Propagacin de llama

Velocidad de combustin laminar

Velocidad de combustin turbulenta

1.8 Propiedades de los combustibles


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2 El proceso de combustin en motores de combustin interna

Relacin combustible aire

Relacin combustible-aire terica

Relacin combustible-aire equivalente1.11 Estequiometra de la combustin

1.12 Problemas


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Combustin en MCIA 3

1.1 IntroduccinEl estudio del desarrollo del proceso de combustin en los motores de

combustin interna es imprescindible para poder cuantificar el mximoaprovechamiento de la energa contenida en la mezcla aire-combustible. Sinembargo, en vista de que las reacciones qumicas que suceden dentro de lacmara de combustin no son del todo completas debido a problemasinherentes al propio proceso de combustin, tales como disociacin, falta deequilibrio qumico, formacin de especies intermedias debida a reacciones

parciales de oxidacin; as como tambin a otros factores entre los cuales se pueden nombrar: propiedades del combustible, diseo inadecuado de lossistemas de alimentacin del combustible y aire que aseguren un trabajo enptimas condiciones en todo el rango de trabajo del motor, prdidas de calordurante las fases de combustin y expansin, deterioro del rendimientovolumtrico del motor y prdidas por friccin; es necesario evaluar de laforma ms precisa posible cual es el aprovechamiento real que se obtiene delcalor producido durante el proceso de combustin.

El estudio terico de la combustin analizando sus parmetros principales, como el rendimiento de la combustin, permitir determinarcual es en efecto, la mxima potencia que un motor de combustin interna

puede desarrollar bajo condiciones similares a las reales de trabajo. Por estarazn si se incorporar al modelo ideal del ciclo del motor, el modelo de lamezcla de trabajo en el cual se consideran propiedades termodinmicasaproximadas a las de las mezclas reales que participan en la combustin, seobtendrn resultados de presiones y temperaturas ms reales que los

obtenidos mediante el uso del simple modelo de gas ideal.

Para incorporar estos dos modelos se requiere el conocimiento de principios bsicos y relaciones simples con la finalidad de contar con lasherramientas que permitan analizar en un instante de tiempo elcomportamiento del fluido de trabajo durante el proceso de combustin en elcilindro del motor El uso de ecuaciones para calcular la composicin de los


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de efectos contaminantes, o ser indicativo que tan completa es lacombustin.

1.2 GlosarioMCIA : motor de combustin interna alternativo; en este motoe el

proceso de liberacin de energa y la produccin de potencia ocurren en lacmara de combustin del motor.

Formacin de mezcla externa : proceso de formacin de la mezclaaire-combustible que se inicia en el exterior del cilindro del MCIA.

Formacin de mezcla interna : proceso de formacin de la mezclaaire-combustible que ocurre en el interior del cilindro del MCIA.

MECH : motor de encendido por chispa, en este motor la mezcla aire-combustible se enciende debido al salto de chispa elctrica que entre loselectrodos de una buja.

MEC : motor de encendido por compresin, en este motor la mezclaaire-combustible se enciende por compresin a causa del fenmeno deautoinflamacin del combustible.

Autoinflamacin : fenmeno mediante el cual ocurre el encendido dela mezcla aire-combustible debido a la elevacin de la temperatura del aireen el interior del cilindro. El incremento de temperatura es ocasionado por elempleo de altas relaciones de compresin.

Cmara de combustin : espacio comprendido entre la culata y el

pistn del MCIA.PMS : punto muerto superior del pistn; posicin del pistn

correspondiente a un volumen mnimo de la cmara de combustin.

PMI : punto muerto inferior del pistn; posicin del pistncorrespondiente a un volumen mximo de la cmara de combustin


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Combustin en MCIA 5 Diagrama indicador : representacin del cambio de presin dentro

del cilindro del motor en funcin del ngulo de giro del cigeal o volumende la cmara de combustin.

Cristal de cuarzo : material usado en sensores de presin debido a su propiedad de generar un voltaje al ser sometido a una deformacin fsica.

Sensor piezoelctrico : instrumento que utiliza un cristal de cuarzo para captar el cambio instantneo de presin en la cmara de combustin delMCIA.

Calidad de inyeccin del combustible : se refiere al tamao de las

gotas de combustible atomizado a una presin determinada en la cmara decombustin del motor.

Grado de penetracin del chorro : toma en cuenta en funcin de la presin de inyeccin, la distancia recorrida por el combustible desde la puntadel inyector hasta una determinada profundidad en la cmara de combustin.

Diagrama de liberacin de calor : representacin grficacaracterstica de la cantidad de calor liberado por la combustin en funcindel ngulo de giro del cigeal del motor.

Frente de llama : zona muy delgada de la mezcla donde ocurre el proceso de combustin, presenta una porcin o franja de precalentamiento yuna de reaccin qumica propiamente dicha. Representa la separacin fsicaentre los productos de combustin y la mezcla fresca.

Periodo de retardo a la inflamacin : tiempo transcurrido entre el

inicio de la inyeccin y la aparicin de los primeros focos de inflamacin.Variacin cclica de presin : fenmeno caracterstico de los MECH

convencionales en los cuales la fluctuacin en el suministro de aire ycombustible es responsable de cambios en el proceso de combustin que seobservan como variaciones de la presin mxima en el diagrama delindicador


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Combustin completa : proceso de combustin en el que se consigueobtener la mxima liberacin de energa como consecuencia de la oxidacinde todo el carbono e hidrgeno contenido en el combustible, dando origen a

la formacin de dixido de carbono y vapor de agua respectivamente.

Relacin combustible-aire estequiomtrica : relacin entre lascantidades de combustible y aire consumidas en un proceso de combustin

para las cuales la combustin es completa o perfecta.

1.3 Sistemas convencionales de encendido por chispa

Las altas temperaturas generadas cuando ocurre el salto de chispa

entre los electrodos de la buja originan el comienzo de un proceso decombustin que tiene sustentacin propia y se propaga como un delgadofrente de llama con liberacin de calor. En esta caso la funcin del sistemade encendido es procurar que el proceso de combustin propagacin de lallama sea reproducible durante cada ciclo de trabajo del motor, para todoslos rangos de velocidad y diferentes condiciones de carga a la que el motores sometido.

Los componentes usados comnmente en los sistemas convencionalesde encendido por chispa son los siguientes: batera, bobina, condensador,

platinos y distribuidor. La aparicin de un arco elctrico entre los electrodosde la buja ocurre solo si se garantiza la existencia de un alto voltaje entreellos. Tres fases claramente definidas, pueden ser observadas durante el

proceso de encendido: una fase donde ocurre la descarga de la chispa y lasaltas temperaturas producidas causan la ruptura de los enlaces qumicos de lamezcla de trabajo entre los electrodos de la buja con la consiguienteformacin de un plasma. Una segunda fase donde aparece el arco elctrico y

la formacin de la llama mayormente se da por condiciones de transferenciade calor por conduccin y fenmenos de difusin. En esta fase la liberacinde calor es responsable del desarrollo de la llama. Seguidamente, apareceuna fase de gran luminiscencia donde en dependencia del sistema deencendido ocurrir la descarga elctrica como consecuencia de la altatensin generada en la bobina de encendido. El arrastre de la energa dell l d h i f d l b j i


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Combustin en MCIA 7 duracin y temperatura alcanzada durante la primera fase: 10 kV, 200 A, 10ns y 60000 K.

1.4 Resea sobre el proceso de formacin de mezcla en MCIA

El desarrollo adecuado del proceso de combustin en los motoresalternativos es de importancia decisiva para obtener un mximoaprovechamiento como trabajo mecnico en el eje del motor. Con laintencin de asegurar las condiciones apropiadas para la realizacin de este

proceso, en los MCIA se emplean mtodos que permiten realizar laformacin de la mezcla aire-combustible, dependiendo de los requerimientosde potencia exigidos al motor, como una funcin directa de las

caractersticas reales de trabajo. Como objetivo principal del proceso deformacin de mezcla est el que se realice un mezclado ptimo entre el airey el combustible, que tome en consideracin aspectos relacionados con: unarranque rpido y seguro, una combustin completa, una mnima formacinde compuestos contaminantes y una reduccin del desgaste de las piezasimprescindibles del motor (espejo del cilindro, anillos, pistn).

Dependiendo del tipo de MCIA empleado existen una serie derequisitos fsicos que se asocian con el desarrollo de futuras reaccionesqumicas que aparecern en funcin del tipo de combustibles usado. De estamanera para que dentro del cilindro del motor ocurra el proceso decombustin, se desde trabajar desde el inicio de la admisin, durante el pasodel aire-combustible o solo del aire por el mltiple de admisin se deben

procurar condiciones adecuadas de presin, temperatura y humedad queaseguren la formacin de la mezcla para el momento del encendido. Conestas exigencias bsicamente se estn considerando las propiedadestermofsicas de los combustibles: viscosidad, volatilidad, densidad,

resistencia a la detonacin, retardo a la inflamacin, humedad. A manera deejemplo para el caso de un MECH con un diseo ptimo de la tubera deadmisin se puede conseguir hasta un 20% de vaporizacin del combustible.

En los motores alternativos teniendo en cuenta el tipo de combustibleusado, se pueden sealar las caractersticas ms resaltantes relacionadas conel tipo de formacin de mezcla y el tipo de encendido de la misma en el


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de funcionamiento en los MEC se tiene la presencia de una mezcla aire-combustible heterognea, encontrndose en la cmara de combustin zonasde riqueza variable.

1.5 Tipos de llamas en MCIA

En vista de la importancia que tiene el proceso de combustin enMCIA tomando en cuenta los siguientes aspectos: desarrollo de potencia enel cilindro, eficiencia en el aprovechamiento del calor del combustible yexpulsin de contaminantes a la atmsfera, es necesario puntualizar algunosconceptos. Como se indic anteriormente el desarrollo de la combustin esdiferente dependiendo del tipo de motor en consideracin, para que esta se

desarrolle rpida y lo mas perfectamente posible una condicin bsica es queel combustible lquido se vaporice y forme junto con el aire una mezclagaseosa altamente homognea.

Para el caso de los MECH el proceso de combustin est determinado por las condiciones de mezclado previo entre el oxidante y el carburante, que permitan la propagacin de una llama que se inicia en la buja y que luego seextiende abarcando todas las zonas del cilindro hasta alcanzar las paredes.Por otro lado en MEC el proceso de combustin depende principalmente delas caractersticas de difusin que ocurren en el cilindro del motor entre elcombustible inyectado y el aire caliente, las cuales definen el momento deinicio de la autoinflamacin.

En las cmaras de combustin de motores el proceso de combustinocurre de forma rpida generando calor; fsicamente en MECH el proceso sedesarrolla en forma de un frente de llama que se propaga con ciertavelocidad en la cmara de combustin. La existencia de este frente de llama

implica que la reaccin qumica est ocurriendo en una zona con un ciertoespesor mnimo en comparacin con las dimensiones de la cmara. Lasupervivencia de la llama es funcin netamente dependiente de la relacinconjunta entre la reaccin qumica, el proceso de difusin de masa, el calorintercambiado y el flujo del fluido.

L i d ll di d i d f i d f


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Combustin en MCIA 11 Llama difusiva: cuando los reactantes se mezclan en la zona

donde la reaccin qumica tiene lugar.

Caractersticas del flujo de gases a travs de la zona de reaccin: Llama laminar: caracterizada por la presencia de movimientos

del fluido organizados y con Re bajos. Llama turbulenta: caracterizada por existencia de gran

movimiento del fluido y Re altos.

Variacin de la estructura de la llama y cambio de movimientocon el tiempo: Llama estacionaria. Llama transitoria.

Fase inicial de los reactantes al principio de la combustin: Llamas con reactantes en fase gaseosa. Llamas con reactantes en fase liquida. Llamas con reactantes en fase slida.

En los motores de combustin interna las condiciones de operacin

dan lugar a llamas transitorias, razn por la cual son imprescindiblescaractersticas de mezclado con alta turbulencia para lograr que el procesode combustin se realice en corto tiempo, de forma que se puedan alcanzarelevadas revoluciones en el eje del motor. De esta manera el tipo de llamaque se presenta en MECH se considera como: predominantemente

premezclada, turbulenta, transitoria y con condiciones iniciales de losreactantes en estado gaseoso; en MEC la llama est caracterizada por ser:

predominantemente difusiva, turbulenta, transitoria y con condicionesiniciales del combustible en fase liquida.

1.6 Aspectos importantes sobre la combustin en MCIA

Las diferencias que existen entre el desarrollo del proceso decombustin en MECH y en MEC estn relacionadas con las caractersticas

pertinentes de cada uno de los sistemas de suministro de combustible y como


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homogneas de la mezcla aire-combustible, el encendido de la mezclaexplosiva en las cercanas del PMS queda bsicamente determinado por elsalto de la chispa en los electrodos de la buja en el momento adecuado

(antes de PMS durante la carrera de compresin). Sin embargo, para losMEC la velocidad con la que ocurre el mezclado entre el combustibleatomizado en la cmara de combustin y el aire en movimiento, afecta no eldesarrollo del proceso de combustin alrededor del ngulo deseado y ademsinfluye en que la plenitud de la combustin.

Otro aspecto importante en el desarrollo de potencia en los MECH loconstituye la distribucin de mezcla por ciclo y cilindro. En MECH queemplean sistemas de alimentacin con carburador existe gran fluctuacin en

el desarrollo del ciclo de trabajo como consecuencia del cambio en larelacin combustible-aire relativa (F/A) R , en valores que oscilan entre 0.8 y1.3, lo que ocasiona variaciones en la presin mxima del ciclo.Observndose en algunos casos que los valores mximos de presincorresponden a ciclos con apagado de la llama. En el caso de los MEC existemayor control sobre la cantidad de combustible utilizado en cada ciclo. Portanto el perfeccionamiento del desarrollo del proceso de combustin debertener en cuenta la relacin entre las siguientes caractersticas: tipo de

combustible usado, diseo apropiado de la cmara de combustin y delsistema de inyeccin, y de las condiciones de trabajo del motor.

En el estudio de los MECH el conocimiento de la variacininstantnea de presin en el cilindro es de suma importancia para realizaranlisis sobre la potencia producida, calcular la cantidad de calor transferidoen el ciclo, calcular la fraccin de masa quemada, realizar estudios sobrevariacin cclica de presin por ciclo y por cilindro, etc. La obtencin de estetipo de informacin se logra si se determina el comportamiento del cambio

de presin en el cilindro mediante diagramas indicadores. Estos son unarepresentacin en tiempo real del cambio de presin en funcin del volumende la cmara de combustin o ngulo de giro del cigeal, p-V o p- . Parasu determinacin se requiere la utilizacin de sensores de presin especialescon dispositivos transductores de cristal de cuarzo, con alta sensibilidad yvelocidad de respuesta para detectar los cambios de la variable en estudio.


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Combustin en MCIA 13 en consideracin los siguientes aspectos: la fraccin de masa quemada, el

porcentaje de liberacin de calor y la rigidez de funcionamiento del motor.

Combustin en MECH

En la cmara de combustin de MECH desde el momento en queocurre el salto de la chispa, se forma un frente de llama, que divide elvolumen de la cmara en dos zonas bien definidas: una zona de mezclaquemada donde la presin y temperatura son muy elevadas y otra zonadonde se encuentra la mezcla fresca, que desde el inicio de la combustin escontinuamente comprimida por los productos de combustin. Fijar lmites

para el proceso de combustin en MECH es difcil debido a la velocidad conla que cambian las caractersticas del proceso y a que no se pueden fijarlmites fsicos permanentes, sin embargo con la finalidad de identificar y

justificar los cambios de presin en el cilindro con combustin normal, verel diagrama p-V mostrado en la Fig. 1.1, el proceso de combustin enMECH se ha dividido en tres fases: inicial (I), secundaria (II) y final (III).

Fig 1.1. Diagrama p- para un MECH indicando los lmites tericos de lasfases del proceso de combustin.

A pesar de que el salto de la chispa indica el comienzo del proceso de

p

- 40 PMS 40

I II III

Con combustin

Sin combustin

punto deseparacin


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el porcentaje de energa liberado durante este perodo es muy pequeo,aproximadamente un 5%. Durante este tiempo se alcanzan las condicionesadecuadas para la formacin del frente de llama que aseguran su

propagacin a travs de todo el volumen de la cmara de combustin.Considerando el porcentaje tan pequeo de masa quemada durante esta faseinicial se toma como su final un punto denominado punto de separacin,

por constituir la separacin entre los diagramas p- con y sin combustin.

La fase secundaria o principal abarca desde el punto de separacinhasta que se alcanza la mxima presin del ciclo. Con la finalidad de obtenerla mxima potencia dentro del cilindro del motor es importante lograr queesta fase se desarrolle de forma simtrica en las cercanas del PMS. Amedida que las rpm del motor varan, el desarrollo y duracin de esta fasetiende a cambiar y a alejarse de la posicin PMS, por lo tanto es necesariohacer ajustes al instante en que debe ocurrir el salto de la chispa, para que enfuncin de las rpm del motor mantenga su distribucin simtrica respecto delPMS. Para un motor trabajando con carga completa la cantidad de masaquemada durante esta fase, es aproximadamente del 90%, correspondiendo aun 85% de la energa liberada. La velocidad de desprendimiento de calordurante esta fase determina el grado de rigidez (dp/d ) de funcionamiento

del motor, siendo este valor muy importante para calcular la magnitud de lasfuerzas que actan sobre el mecanismo biela-manivela.

En las zonas mas alejadas de la cmara de combustin donde existedificultad para que la llama penetre y debido a las altas presiones generadasse aloja un porcentaje de mezcla fresca que puede ser quemado a ltimomomento y que de lo contrario contribuye a la formacin de hidrocarburosde combustin incompleta. Por lo tanto, en vista de que para el instante enque el frente de llama alcance estas zonas el pistn estar en una posicin

bastante avanzada de su carrera de expansin, se define una fase final decombustin o fase residual. Evidencias de este quemado final se detectan porlas altas temperaturas de los gases de escape, infirindose que los puntos demxima temperatura y presin se encuentran defasados. Adems, debido aque la combustin an no ha finalizado, el aumento de volumen de la cmarade combustin no contrarresta el aumento de temperatura. La duracin de la


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Combustin en MCIA 15 anteriormente dicho de incremento de la temperatura de salida de los gasesde escape, disminuyendo la generacin de trabajo en del cilindro del motor.

Combustin en MEC

En este motor al final de la carrera de compresin comienza lainyeccin del combustible en la cmara de combustin donde el aire seencuentra a alta presin y temperatura, y gracias al proceso de difusin demasa se originan los primeros focos de inflamacin que se encargarn delquemado posterior de la mezcla fresca. A diferencia del proceso decombustin en MECH, en la cmara de combustin de MEC se formanvarios puntos de encendido desde donde los frentes de llama avanzancubriendo todas las zonas de la cmara; al mismo tiempo el grado deagitacin del aire y la inyeccin del combustible continan asegurando eldesarrollo de la combustin y el desalojo de los gases quemados de la zonade quemado. Con el incremento de la velocidad del motor los requerimientos

para alcanzar un mezclado adecuado son mas exigentes y los tiempos paraconseguir la plenitud en el desarrollo del proceso de combustin alrededordel PMS son mas cortos. Por esta razn, en dependencia del tamao delmotor y de su velocidad de giro es necesario determinar las condicionesadecuadas para que las caractersticas que relacionan: el grado de turbulencia

dentro del cilindro, la calidad de inyeccin del combustible y el grado de penetracin del chorro sean las ptimas posibles.

Usando la informacin contenida en los diagramas p- y T- de laFig. 1.2 para MEC se consideran cuatro fases en el anlisis del proceso decombustin: el retardo a la inflamacin (i), y las fases principal (1),secundaria (2) y residual (3). La primera fase o periodo de retardo a lainflamacin abarca desde el inicio de la inyeccin de combustible hasta queocurre el fenmeno de autoinflamacin, el cual normalmente se consideraque ocurre en el punto de separacin de los diagramas p- con y sincombustin. Esta fase se considera que realmente constituye un perodo de

preparacin de la mezcla aire-combustible, donde las altas temperaturas y laturbulencia permiten que el combustible liquido se vaporice para darcomienzo a la combustin propiamente dicha cuando se supera lat t d t did D f i il l d MECH l


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Fig 1.2. Diagrama p- y T- para un MEC indicando las fases de lacombustin, el flujo de combustible y la razn de liberacin de calor.

retrasadas de inyeccin del combustible se observan valores de mxima presin muy bajos despus del PMS.

La caracterstica de liberacin de calor en MEC con carga total, verFig. 1.2, muestra un comportamiento con gran desprendimiento de calor enla fase principal, en la cual se logra quemar hasta un 33% de la mezclafresca. Durante esta fase el proceso de combustin depende directamente delas condiciones de premezclado debidas al proceso de difusin delcombustible en la atmsfera de aire circundante. A causa de la alta velocidada la que ocurre la combustin esta fase recibe el nombre de fase decombustin acelerada o rpida, la misma abarca desde el punto deseparacin hasta el punto donde se alcanza la mxima presin en el ciclo detrabajo del motor.

pT

- 40 PMS 40

i 1 2 3

mdm/d

QdQ/d

m

Q

T


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Combustin en MCIA 17 desalojan los productos de combustin. En esta fase estn presentes varios

procesos como son: atomizacin y vaporizacin de las gotas de combustible,mezclado entre el aire y los vapores de combustible y presencia dereacciones qumicas de precombustin. Estos fenmenos ponen en evidenciala complejidad del proceso de combustin en este tipo de motores.

Finalmente, la fase final de la combustin abarca desde el puntodonde se alcanza la mxima temperatura del ciclo hasta una porcin bastante

prolongada durante la carrera de expansin. Esto se observa al determinarlos diagramas de liberacin de calor, Fig. 1.2, donde se puede ver la largacola del diagrama producto de una combustin muy prolongada. Lo anteriorse debe a presencia de carbn y compuestos combustibles correspondientes a

mezclas ricas que an pueden liberar energa.

1.7 Aspectos generales de la combustin

Proceso fsico-qumico.- Es un proceso en el cual se consume unacantidad de mezcla fresca de combustible y aire que se transforma en

productos producindose elevadas presiones y temperaturas. El surgimientoy desarrollo de este proceso depende de las siguientes caractersticas paramantener su supervivencia: velocidad de la reaccin qumica, transferencia

de calor y masa en la zona de llama y perdidas de calor hacia las paredes.

Fase gaseosa.- Para una mezcla combustible aire se refiere a que si elcombustible est en fase gaseosa, esto permite el desarrollo del proceso decombustin en forma mas rpida ya que se aumenta la velocidad de reacciny hay mayor homogeneidad. Las mezclas no homogneas dependenmayormente de la difusin combustible a aire.

n E a/R uTd[C]A p edt

= (1)

donde: d[C]/dt = variacin de concentracin en el tiempo, mol/m 3-s.A = constante = f(combustible, composicin).Ea = energa de activacin = f(T) = (8.4,...,168)10 3 kJ/kmol.


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mayora de las reacciones esta secuencia de etapas no es bien conocida, yson altamente dependientes de p, T y la concentracin.

Autoinflamacin.- Fenmeno que se presenta cuando la velocidad dedesprendimiento de calor superara su velocidad de extraccin.

Lmites de inflamacin.- Son la mnima y mxima concentracin decombustible en aire para que la mezcla se autoinflame, por encima delsuperior no hay propagacin de llama y por debajo del inferior hayextincin.

Propagacin de la llama.- En el estudio de la combustin, la reaccin

qumica tiene lugar en una zona muy delgada denominada frente de llama(Fig. 1.3), la cual presenta dos zonas: de precalentamiento y de reaccin.

Fig 1.3. Propagacin de llama y caractersticas del frente de llama.

En la zona de precalentamiento se prepara la mezcla para poder iniciarel proceso de combustin una vez alcanzada la temperatura de encendido, las

i i l l id d d l d

T

To

Tllama Tencendido

Zonade

precalentamiento

Zonade

reaccin

o x


28/160

Combustin en MCIA 19 el frente de llama se mueve a velocidades predecibles dependiendo de lariqueza de la mezcla, presin y temperatura, (ver Ec. 2 y Fig. 1.4).

ad encL

enc o

T TK d[C ]U C p T T dt =

(2)

Donde: U L = velocidad de combustin laminar, cm/s.K = conductividad trmica, kW/m-K. = densidad, kg/m 3.Cp = calor especfico, kJ/kg-K.Tad = temperatura de llama adiabtica, K.

Tenc = temperatura de encendido, K.To = temperatura de la mezcla fresca, K.

Fig 1.4. Modelo del frente de combustin laminar.

Velocidad de combustin turbulenta.- En MCIA para que los procesos de combustin ocurran a alta velocidad y permitan la ejecucin del

ciclo lo mas rpido posible, se necesitan diseos de cmaras de combustiny sistemas de admisin que generen alta turbulencia en la mezcla. Esto

permite un mezclado ms eficiente en tiempos ms cortos y distorsiona elfrente de llama aumentando su espesor y por lo tanto su rea de quemado. Elaumento del grado de turbulencia fsicamente rompe el frente de llama envarios puntos de inflamacin acelerando la velocidad del proceso.

Mezcla fresca: (U 1, T o)Productos: (U 2, T ad)

o x

UL


29/160


'LT BUUU +

Fig 1.5. Frente de llama con caractersticas de turbulencia dbil e intensa.

complejas que toman en consideracin las caractersticas reales del flujo atravs de la vlvula de admisin e interior del cilindro y se expresa de

manera genrica en la Ec. 3; algunas referencias bibliogrficas (Heywood,1988) tocan el tema con la profundidad requerida.

(3)

Donde: U T = velocidad de combustin turbulenta, cm/s.

1.8 Propiedades de los combustibles

El tipo de motor plantea una serie de requisitos con referencia al tipode combustible que debe utilizarse en cada caso. En MECH el proceso deformacin de mezcla requiere de combustibles con facilidad de evaporacincon la finalidad de formar mezclas homogneas, sin embargo para el caso deMEC la exigencia al combustible es que asegure un atomizado muy fino

pero que al mismo tiempo prolongue la vida til de los componentes del

Productos decombustin

Velocidad de combustin

Espesor del frente de llama

Turbulencia dbil

Turbulencia intensa

Mezcla fresca


30/160

Combustin en MCIA 21 procurar el desarrollo de un proceso de combustin lo ms completo posibley con la mnima expulsin de gases txicos.

El grupo de propiedades ms importantes de los combustibles usadosen MCIA son: volatilidad, resistencia a la detonacin, retardo a lainflamacin, viscosidad, densidad, temperatura de congelacin, temperaturade inflamacin, acidez, tensin superficial y contenido de cenizas.

Volatilidad.- Es la capacidad que tiene el combustible paravaporizarse, depende de la composicin fraccionada, del calor devaporizacin y de la tensin superficial. Mientras mayor es la temperaturaambiente mayor ser la capacidad de evaporacin del combustible; segn se

observa en la Fig. 1.6, se determinan diversos porcentajes de evaporacincon el incremento de temperatura.

Fig 1.6. Porcentajes de volatilidad de combustibles usados en MCIA.

Resistencia a la detonacin.- Para el caso de MECH mide lacapacidad que tiene una gasolina para evitar condiciones de autoinflamacinque ocasionan problemas de golpeteo en el motor. Usualmente estefenmeno de detonacin se presenta en las zonas mas alejadas de la bujadebido a que los gases quemados comprimen la mezcla fresca delante dell i d l i i d l

0 100 200 300 T C

100

80

60

40

20

Volatilidad%

Gasolina DieselKerosene


31/160


Para una gasolina la resistencia a la detonacin se mide en un ensayoen el cual se queman muestras de gasolina estandarizada (Isooctano +nHeptano) y de la gasolina en estudio en un motor especial (MECH CFR).En este ensayo se determina un ndice conocido como numero de octano,

NO, el cual indica que mientras mayor sea su valor mayor ser la resistenciaa la detonacin de la gasolina ensayada. El empleo actual de MECH conaltas relaciones de compresin a obligado emplear aditivos especiales comoel Tetraetilo de Plomo en la gasolina, el cual tiene la propiedad de reducirlos problemas de detonacin.

Retardo a la inflamacin.- Para el caso de MEC lo ms importantees asegurar que una vez que el combustible es atomizado en el interior de la

cmara de combustin, ocurra su autoencendido con gran facilidad. Estacapacidad del combustible diesel se mide como el intervalo de tiempomnimo comprendido entre el instante de comienzo de la inyeccin delcombustible y el instante en el que se produce la inflamacin. Este corto

perodo de tiempo depende de las condiciones de funcionamiento del motory de las propiedades fsico-qumicas del combustible. Para su evaluacin seutiliza el numero de Cetano, NC, el cual se determina quemando uncombustible diesel normalizado (Cetano + Metilnaftaleno) y el de pruebaen un motor especial (MEC CFR). Combustibles cuyo NC es muy altotienen un perodo de retardo a la inflacin muy corto y por lo tanto un

proceso de combustin muy suave (rigidez de funcionamiento normal).

El empleo de MCIA en condiciones severas de trabajo, sumado a la presencia de compuestos no deseables en el combustible, plantea otrasexigencias sobre las propiedades que deben tener los combustibles; porejemplo: para controlar el desgaste excesivo del espejo del cilindro y anillosdel pistn, ocasionado por la presencia de azufre, se agregan aditivos

qumicos; igualmente se agregan aditivos como nitratos y perxidos alcombustible diesel para aumentar el NC y se agregan aditivos antifumgenos

para evitar la formacin excesiva de humos en los gases de escape.

1.9 Composicin qumica del aire y del combustible


32/160

Combustin en MCIA 23 Tabla 1. Composicin qumica del aire seco.

Gas ppm (vol) PM Y i Rel. Molar

O2 209500 31.998 0.2095 1.000

N2 780900 28.012 0.7905 3.773

Ar 9300 39.948

CO 2 300 44.009

Aire 1000000 28.962 1.0000 4.773

3.7730.2095

0.20951MM

2

2

O

N == (4)

Los combustibles comnmente usados en MCIA son gasolina y diesel,y muestras de compuestos de hidrocarburos obtenidos en la refinacin del

petrleo crudo. Los combustibles principalmente contienen carbono ehidrgeno, tpicamente 86% de carbono y 14% de hidrgeno en peso;algunos combustibles diesel pueden contener hasta 1% de azufre. Entre otros

combustibles estn los alcoholes que contienen oxgeno y combustiblesgaseosos como el gas natural (GN) y el gas licuado de petrleo (GLP).

1.10 Relaciones combustible-aire

Relacin combustible aire.- Se representa como F/A y se definecomo la relacin entre el consumo de combustible y aire en un proceso decombustin.

C C

a a

M PMFA M PM

c

a

mm

= = (5)

Donde: mc y ma = el consumo de combustible y aire respectivamente.


33/160


34/160


35/160


2

2 2

H O CO(T) 2 3

CO H

M M 1.761e3 1.611e6 0.2803e9lnK 2.743

M M T T T= = + (8)

Cuando la presencia de azufre en el combustible es importante, en el balance msico de la ecuacin global de la combustin debe considerarse laoxidacin del mismo a SO 2. En la resolucin de problemas en los cuales los

procesos de combustin utilicen mezclas de gases combustibles se sigue elmismo procedimiento que en los casos anteriores.

El proceso real de combustin es muy complicado debido a que no es predecible y por que est afectado por problemas propios como: combustinincompleta, disociacin del CO 2 y H 2O a altas temperaturas, recombinacinde componentes, duracin del proceso, presencia de reacciones qumicasintermedias y otros. Por lo tanto en los productos aparecen una gran cantidadde especies y un simple balance msico no es suficiente. Este tipo dereacciones qumicas de combustin que involucran la presencia de otroscomponentes o donde se necesita determinar la composicin elemental bajocondiciones dadas de presin y temperatura debe plantearse considerando lateora del equilibrio qumico y la cinemtica de las reacciones qumicas.

Ejemplo 1. Utilizando una reaccin global de combustin determinela fraccin molar de los gases de escape cuando se quema una mezcla deisooctano (C 8H18) y aire empleando la cantidad terica de aire, ( = 1.0).

Inicialmente se plantea la ecuacin global de combustin y se realizael balance msico de las cantidades de C, H, O y N.

12 5d)/2(2baO

9dH

8 bC

msicoBalancefNOdH bCO)3.773Na(OHC

:combustindeglobalReaccin

22222188

=+===

++++


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Combustin en MCIA 27 Ejemplo 2. Utilizando una reaccin global de combustin determine

la composicin molar de los productos de la combustin para la combustinde una mezcla de isooctano con 25% del aire terico (e = 0.25).

Para las especies cuando la riqueza < 1 se usa la Tabla 4. Se debetomar en cuenta que para el clculo del requerimiento de aire se agrega el

porcentaje de exceso de aire (e) a la cantidad terica para el combustible enestudio. Para este caso el nuevo requerimiento es 1.25 veces el terico y elexceso de aire aparece formando parte del O 2 y N 2 en los productos.

2

22222188

222222188

3.125O

58.95NO9H8CO)3.773N15.625(OHC

58.95a'773.3f N

15.625e)12.51(e)a1(a'O9dH

8 bC

aO)e(fNOdH bCO)3.773N(Oa'HC

+++++

===+=+=

=

=+++++

Ejemplo 3. Determine la composicin de los productos para la

combustin del octanol (C 8H17OH) con su cantidad de aire terico. Compareestos resultados con los obtenidos en el caso de la mezcla Isooctano-aire.

En el balance de masas se debe recordar que debido a que estecombustible ya contiene un porcentaje de O 2 en el clculo definitivo estacantidad no es necesario suministrarla con el aire.

22222178

)(

28.54f N

21ad;2b12aO

9dH8 bC

fNOdH bCO)3.773Na(OOHHC

++++=

=+=+==

++++


37/160


de combustible, determine la fraccin molar de los productos si se usa unamezcla isooctano-aire. Las condiciones de trabajo del motor indican queconsume mezcla con riqueza = 1.2. Considere una temperatura en lacmara de combustin de 2000 K.

%81.96Y%;62.0Y%;37.51Y

%77.6Y%;41.7Y

N3.93H35.0OH65.8

CO82.3CO17.4)3.773N10.42(OHC

8.65f ;f)f)(9(12.42

4.42)f(f 4.46:MlosdefuncinEn

T0.2803e9

T1.611e6

T1.761e3

2.743LnK

bgfd

MM

MMK :esequilibriodeconstanteCuya

OHCOHCO :GasAguaReaccin

30.93i3.773a;i N

f d2b20.84f;d2b2aO

42.102.15.12Ma

a:airedeMoles

9gf H

8d bC

iNgHOfHdCO bCO)3.773Na(OHC

222

2

2

22

2

NHOH

COCO

222

222188

OH

32(T)

HCO

COOH(T)

222

T

222222188

=====

++++++

=

=

+=

==

+=+==

++=++=

===

=+=+

++++++


38/160

Captulo 2

PRIMERA

LEY Y SISTEMAS REACTIVOS2.1 Introduccin

2.2 Primera ley de la Termodinmica y reacciones qumicas.

2.3 Entalpa deformacin.

2.4 Poder calorfico del combustible.

2.5 Eficiencia de la combustin.

Ineficiencia de la combustin.

2.6 Combustin adiabtica.


39/160


40/160

Primera ley y sistemas reactivos 31

2.1 Introduccin

En el estudio del proceso de combustin en MCIA el determinar laconcentracin de las especies en la medida que el proceso se desarrolla,

permite evaluar en una forma ms precisa la evolucin de las propiedadestermodinmicas del fluido de trabajo. El empleo de la Primera Ley de laTermodinmica en sistemas donde las reacciones qumicas son importantes

permite calcular la cantidad de energa que se libera en el proceso.

A partir de estos resultados se puede determinar las variables masimportantes que caracterizan los procesos de combustin que ocurren en losmotores de vehculos; por ejemplo, se puede calcular: la potencia producida,la cantidad de calor desprendido conocidas las temperaturas de inicio y findel proceso, el poder calorfico desprendido por una mezcla combustible-aire, la mxima temperatura que se puede obtener en el ciclo de trabajo bajocondiciones dadas de presin, temperatura y relacin combustible-aire, elefecto de la dilucin con gases residuales sobre la mxima temperatura del

proceso, etc.

La aplicacin de la Primera Ley de la Termodinmica en undeterminado proceso de combustin solo requiere tener un modelo que

permita determinar la composicin de las especies en funcin de latemperatura y riqueza de la mezcla; sin embargo, la composicin no permiteobtener informacin detallada sobre las caractersticas de desarrollo delfenmeno de combustin, tales como: velocidad de propagacin de la llama,efectos de turbulencia, formacin de compuestos intermedios.

2.2 Primera Ley de la Termodinmica y reacciones qumicas

Los procesos de combustin en la prctica son muy complicados; poresta razn las caractersticas de las reacciones qumicas involucradas sonsolo conocidas para casos de combustibles simples tales como: H 2 y CH 4.P b tibl t t l j l i l t d l


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La Primera Ley de la Termodinmica relaciona los cambios deenerga interna o entalpa con el calor y el trabajo transferido. Para unsistema con masa, m, como el mostrado en la Fig. 2.1 donde se consideraque estn ocurriendo cambios en la composicin de los reactantes a

productos, la aplicacin de la Primera Ley entre los estados inicial y finalqueda indicada por la Ec. 1.

Fig 2.1. Aplicacin de la Primera Ley de La Termodinmica a un volumende control entre dos estados definidos: inicial y final.

R PP-R P-R U-UW-Q = (1)

Por convencin se considera que el calor transferido al sistema y eltrabajo realizado por el mismo son positivos. En forma general se puedenanalizar dos tipos de procesos de combustin: a volumen constante y a

presin constante. Para cada caso se conocen las condiciones de p y T alcomienzo del proceso y se desea calcular la energa liberada cuando lacombustin avanza y se reestablecen nuevos valores para p y T. Existe uncaso particular que se analizar posteriormente, en el cual se desea calcularla cantidad de calor total liberado cuando las condiciones iniciales y finalesdel proceso son conocidas e iguales a las normalizadas, po y To, esta

cantidad es conocida como poder calorfico del combustible.

TV,R PP-R

P-R

)U(U-UQ

0W

const.VacombustindeProceso

===

=

Reactantes Productos

+ Q R-P

+ W R-P p, T, V, U, t i p, T, V, U, t f


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Primera ley y sistemas reactivos 33 La representacin grfica de estos cambios se presenta en la Fig. 2.2,

en la misma se observa que el incremento de la energa interna de laentalpa con la temperatura no es igual para los reactantes y productos. Lavariacin U H disminuye con el incremento de la temperatura porque elCv C p de los productos es mayor que el de los reactantes, o sea aumenta laliberacin de energa de los productos.

U, H

T

ReactantesProductos

To T

(U)V, T ; (H) p, T

(U)V, To ; (H) p, To

Fig 2.2. Variacin de la energa interna o entalpa de los reactantes y

productos en funcin de la temperatura.

2.3 Entalpa de formacin La entalpa de formacin, hf , de un compuesto qumico es el

incremento de entalpa que se asocia con la reaccin de formacin de un molde un compuesto dado a partir de sus elementos, asociado tambin con cadasustancia en su estado termodinmico normalizado a una temperatura dada.El estado normalizado corresponde al valor de la presin atmosfrica y la

temperatura de un estado de referencia, normalmente este estado dereferencia corresponde a 1 atm. y 25C. Algunos elementos como el N 2 y O 2 son muy estables en esta condicin por lo que en su estado de referencia seles asigna una entalpa de formacin igual a cero.

Los datos de entalpa de formacin normalizadas para las especies


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grupo la entalpa de formacin del N 2, N, O 2, y O en condicionesnormalizadas es cero, hof = 0 kJ/kmol.

En la Tabla A1 se observe adems que algunos valores de la entalpade formacin a las condiciones normalizadas son negativos, como en el casodel CO 2 donde hof = - 393522 kJ/kmol. Esto es debido a la caractersticaexotrmica de la reaccin qumica, en este caso la entalpa de formacin delCO 2 debe ser menor que la suma de las entalpas de formacin del C y O 2.

Para evaluar la entalpa de los productos o reactantes es necesarioconocer las condiciones de p y T del proceso en estudio. Para el clculo de laentalpa en un estado diferente del normalizado se suma a la entalpa de

formacin en condiciones normalizadas, 25C y 1 atm., el cambio deentalpa entre el estado a las nuevas condiciones especificadas, p y T, y elestado de referencia como se indica a continuacin, Ec. 3.

o o

o oP,R i f po,To i

i

o

Para condiciones correspondientes a las normalizadas: p y T

la entalpa para los productos y reactantes se calcula como:

H M (( h ) )

Para condiciones diferentes a las normalizadas: p p y

=

o

o oP,R i f po,To p,T i

i

T T

la entalpa para los productos y reactantes se calcula como:

H M (( h ) ( h) )

= +

(3)

En la Ec. 3 M i es el numero de moles de los reactantes y productosrespectivamente. Para condiciones no normalizadas se debe tomar en cuentala entalpa sensible de cada especie qumica participante.

En la Ec. 3 se ha considerado que el proceso de combustin se realizaa presin constante; en los casos de que el proceso de combustin sea avolumen constante es necesario calcular la energa interna de las especies


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Primera ley y sistemas reactivos 35 Ejemplo 1. Un MECH trabaja con una mezcla gasolina-aire a 25 C.

El motor tiene un consumo de combustible de 3 g/s y desarrolla una potenciade salida de 50 kW. Un anlisis de los productos expulsados realizado a 660K muestra una composicin en base seca de CO 2 = 11.4%, O 2 = 1.6% y CO

= 2.9%. Determine la potencia transferida durante el paso del fluido detrabajo por el motor. Nota: El hof del C 8H18 es - 259280 kJ/kmol.

Se procede al balance de la ecuacin global de combustinconsiderando que en el 100% de los gases secos se incluye el porcentaje de

N2. Debido a que el combustible es un hidrocarburo no puede despreciarse lacantidad de agua formada, su porcentaje se determina mediante el balance.

2 2 2

2 2

a b 2 2 2 2

2 2

Gases secos

100% %CO %O %CO %N

100% 11.4% 1.6% 2.9% % N %N 84.1%

Ecuacin global de combustin

C H d(O 3.773N ) 11.4CO 1.6O 2.9CO

84.1N eH

= + + += + + + =

+ + + ++ +

a b 14.3 31.36 8 17.54

8 17.54 2 2

O

Median te balance msico

C a 11.4 2.9 14.3

N 2(3.77 3)d 2(84 .1) d 22 .29

O 2d 2(11.4) 2(1.6) 2.9 e e 15.68

H b 2e 31.36

El combustible:C H C H 1.7875C H

C H 12.47(O 3.773N ) 6.

= + = = = = + + + = = =

= =+ + 2 2

2 2

4CO 0.9O 1.6CO

47.1N 8.8H O

+ +

+ +

Se aplica la Primera Ley al sistema reactivo analizando el proceso seglobalmente entre la entrada y la salida del motor, se toman los valores deentalpas de formacin y entalpas sensibles de las Tablas A1, A3 y A7 de


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2 2

2

2

8 18 2 2

P CO O

CO N

H O

P

R C H O N

R

H 6.4( 393522 15823) 0.9(0 11200)

1.6( 110529 10789) 47.1(0 10749)

8.8 (-241827 12710)

H -406468.5 kJ

H ( 259280 0) 12.47(0) 47.1(0)

H 259280 kJ

-406468.5-(-2592H

= + + ++ + + ++ +

== + + +=

= 80) kJ 3 kg 100.5 kW(8(12) 17.54(1)) kg 1000 s

= +

2.4 Poder calorfico de un combustible

Es la cantidad de calor desprendido bajo condiciones de combustincompleta durante una reaccin qumica a presin o a volumen constante encondiciones normalizadas de temperatura y presin, 25C y 1 atmsfera. Lacombustin completa se asegura suministrando una cantidad suficiente deaire para que todo el carbono del combustible sea convertido en CO 2, todo elhidrgeno en H 2O y cualquier cantidad de azufre en SO 2.

El poder calorfico tambin se puede definir como el calor que debeser removido de los productos de un proceso de combustin completa con lafinalidad de enfriarlos hasta la temperatura inicial de la mezcla combustible-aire.

Fig 2.3. Representacin esquemtica de la determinacin del podercalorfico contenido en un combustible.

Productos, T 2 = T 1 Combustible, T 1

Aire, T 1

Q = poder calorfico

Cmara decombustin


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Primera ley y sistemas reactivos 37 determinar el calor de combustin con varios niveles de precisin empleandocombustibles gaseosos, lquidos, y slidos.

La presencia de agua, H 2O, en los productos de combustin en estado

liquido o gaseoso determina la existencia de dos valores para el calor dereaccin y por lo tanto se definen dos tipos de poder calorfico. Podercalorfico superior del combustible, H s, el cual es usado cuando todo el aguaformada en los productos se condensa, y el poder calorfico inferior delcombustible, H i, cuando el agua formada permanece en fase de vapor. Desdeel punto de vista prctico para el caso de la combustin en MCIA el podercalorfico inferior es el usado en los clculos de potencia debido a que enestos dispositivos la temperatura a la que los gases de escape son expulsadosest muy por encima de la temperatura del punto de roco.

fgC

OHiS

fgC

OHiS

um

mUU


hm

mHH

const. pacombustindeProceso

2

2

+=

=

+=

=

(5)

La Tabla A7 de los anexos contienen informacin sobre el podercalorfico y otras propiedades para varios combustibles. La Ec. 5 permitecalcular cualquiera de los poderes calorficos conocido uno de ellos y lacantidad de agua formada por kilogramo de combustible.

Ejemplo 2. En un proceso de combustin a presin constante seemplea metano (CH 4) como combustible. Determine su poder calorficosuperior.

Para el clculo se deben tener presente tres requerimientos: el procesoinicia con reactantes a To = 300 K y finaliza cuando los productos decombustin son enfriados a To, se trabaja con riqueza estequiomtrica, =1.0 y se debe tomar en cuenta la cantidad de energa liberada debida a la


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4 2 2

2 2 2

4 2 2 2 2 2

R P R P po,To

R CH O N

P CO H O N

R P

CH 2(O 3.773N ) CO 2H O 7.546N

Clculo de la cantidad de calor transferido

Q (H -H )

H ( 74831) (0) (0) 74831

H ( 393546) 2( 285840) 7.546(0) 965226

965226 ( 74831)Q

12 4

+ + + +

=

= + + = = + + =

=+ 4

4

55538.6KJ/Kg CH(1.008)

Poder calorfico superior del metano

Hs 55538.6KJ/Kg CH

=

=

2.5 Eficiencia de la combustin

Durante el trabajo en el interior del cilindro del motor de combustininterna, independientemente de la riqueza o pobreza de la mezcla siempreestarn presentes en el escape productos tales como: CO, H 2, HC ycarbonilla, especies estas que indican que realmente el proceso decombustin es incompleto. La cantidad de estos componentes es pequeacuando el motor trabaja con mezclas pobres, pero para los casos de

combustin con mezclas ricas sus porcentajes son mayores debido a lainsuficiencia de oxigeno, causando esto un mayor deterioro en elaprovechamiento de energa.

Es conocido que en la mayora de los casos en funcin de la exigenciade potencia en los MECH los rangos de riqueza de la mezcla de trabajo sonmayores que 1.0 respecto a los MEC, sin embargo los problemas inherentesdel proceso de combustin en cualquiera de los dos motores tienden afavorecer condiciones que propician la formacin de productos decombustin incompleta.

Por lo anterior se sabe que no toda la energa del combustible esaprovechada dentro de la cmara de combustin y es necesario determinarcomo se afecta el proceso de combustin, evaluando las prdidas con un


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Tambcomb

c i

Tamb P R Tamb

( H)

m H

( H) (H -H )

=

= (6)

Fig 2.4. Eficiencia de la combustin en MCIA vs. la riqueza de la mezcla.

Para MCIA el proceso de combustin (ver Fig. 2.5) puede serrepresentado como un sistema abierto donde existe intercambio de calor ytrabajo con sus alrededores. Se considera que la mezcla fresca esta formada

por combustible y aire, los cuales entran en cierta proporcin y constituyen alos reactantes. Una vez que ocurre el proceso de liberacin de energa en elcilindro del motor, se expulsan a la atmsfera los gases quemados queconstituyen los productos.

Tomando en cuenta el funcionamiento del MCIA los trabajosexperimentales muestran que existen una serie de parmetros que tieneninfluencia en el rendimiento de la combustin en funcin de la potencia quese desee obtener en el motor, entre los ms importantes se citan: el ajuste dela riqueza de la mezcla, la relacin de compresin, la variacin de la carga,el ngulo de avance del encendido y las revoluciones del motor.

MECMECH

.2 .4 .6 .8 1. 1.2 1.4

100

90

80

70

60

c


49/160


Fig 2.5. Volumen de control de un sistema de combustin para MCIA.

En la Fig. 2.4 se observa que la mayor variacin del rendimiento de lacombustin se presenta en MECH para funcionamientos con > 1.0. Elfuncionamiento de ambos motores fuera de los lmites convencionales deriqueza ocasiona grandes perdidas por combustin incompleta. Por lo cual es

probable que el trabajo del motor con mezclas sobre-empobrecidas o sobre-enriquecidas sea muy inestable y cause problemas como: dispersin cclicade presin en MECH, formacin elevada de compuestos contaminantes,aumento del consumo de combustible, funcionamiento inestable, etc.

A partir de la informacin dada en la Fig. 2.4 el rendimiento de lacombustin puede evaluarse como una funcin de la riqueza mediante las

siguientes expresiones:

0.546173.2594.2

1.51.0:riquezadevaloresPara

0.1210.1290.959

1.00.5:riquezadevaloresPara

2comb

2comb

+=

+=

(7)

Ineficiencia de la combustin.- En MCIA cuando se conoce laconcentracin de CO, H 2, hidrocarburos sin quemar y partculas, la energaqumica arrastrada por estas especies representa la ineficacia del proceso que

puede calcularse mediante la siguiente ecuacin:

Combustible

AireProductos

MCIA

Volumen de control


50/160

Primera ley y sistemas reactivos 41 sugeridos para las especies: (Hi) CO = 10.1 MJ/kg, (Hi) H2 = 120.0 MJ/kg,(Hi) HC = (Hi) COMBUSTIBLE , (Hi) PARTICULAS = (Hi) C = 32.8 MJ/kg.

Ejemplo 3. A partir de la informacin dada en el Ejemplo 1 calcule

usando la ecuacin 8 la eficiencia con la que se realiz dicho proceso decombustin.

Con la ecuacin balanceada se determinan la relacin combustible-aire y las fracciones msicas de las especies qumicas involucradas.

(91.08%) 0.9108;(44500)

(0.0662)11

00)0.0244(101-1

combustinladeeficiencialadeClculo

0244.02.1833)28(6.1

mm

X

COdemsicafraccinladeClculo

0.99)( 0.0662;))013.28(773.332(47.12

))54.17(008.1)12(8(mamc

F/A

F/ArelacinladeClculoO8.8H47.1N

1.6CO0.9O6.4CO)3.773N12.47(OHC

balanceadacombustindeglobalReaccin

1

T

COCO

22

222217.548

=

+

=

===

==++==

++

++++

2.6 Combustin adiabtica

Si en un proceso de combustin toda la energa desprendida se

aprovecha para aumentar la energa interna del fluido de trabajo, sin que se presenten fenmenos de disociacin ni procesos de combustin incompletase dice que el proceso de combustin es adiabtico. Este proceso idealizadoocurre sin perdidas de calor y por lo tanto se obtienen valores de temperaturamuy elevados que permiten definir el concepto de temperatura de llamaadiabtica


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lmites por que las exigencias metalrgicas del material lo requieren, porejemplo durante procesos de expansin en los labes de turbinas de gas; enestos casos la temperatura de la llama normalmente se controla usandomezclas combustible-aire pobres. Desde el punto de vista real todo proceso

de combustin genera prdidas de calor, las cuales influyen en el valor de latemperatura final de los productos de combustin. Con la aplicacin de laPrimera Ley de la Termodinmica a este tipo de procesos se determinan suscaractersticas mas importantes: calor intercambiado, propiedades, etc.Adicionalmente para el caso de MCIA se pueden hacer estudios tericos delos casos particulares de combustin: a volumen y presin constante.

Las Ecs. 9 muestran la aplicacin de la Primera Ley de laTermodinmica para el caso de un proceso de combustin adiabtica; unarepresentacin grfica del mismo se observa en el diagrama de la Fig. 2.6.

R PR P

P-R

R PR P

P-R P-R

HH 0H-H

0Q

const. pacombustindeProceso

U U 0U-U

0 W,0Q


==

==

====

=

(9)

Fig 2 6 Clculo de la temperatura de llama adiabtica

U, H

T

Reactantes

Productos

TR TP = T ad.


52/160


Fig 2.7. Temperatura de llama adiabtica para procesos de combustin a V y p constantes.

zona correspondiente a mezclas ligeramente enriquecidas, observndose quea ambos lados la temperatura disminuye debido a dificultades en la

propagacin de la llama bien sea debido al empleo de mezclas muy pobres omuy ricas.

La temperatura de llama adiabtica es mayor para el caso de combustin a

volumen constante debido a que durante la combustin la presin es mayor yse tienen menos prdidas debido a disociacin.

Ejemplo 4. Una mezcla CH 4-aire entra a un quemador a 1 atm y25C. Determine la temperatura de llama adiabtica considerando que el

proceso de combustin en el quemador ocurre a p = constante. Estudie lossiguientes casos de combustin: a) Con mezcla terica y b) Con 20% deexceso de aire.

Primero se plantea la Primera Ley de la Termodinmica para elsistema reactivo considerando que no hay prdidas de calor. Puesto que seconoce el valor de la temperatura inicial de los reactantes, esto permitecalcular su entalpa.

3000

2500

2000

1500

1000

500

50

40

30

20

10

.2 .4 .6 .8 1. 1.2 1.4

(T ad)V

(Tad)

T p


53/160


2 2 4

2 2

4 2 2 2 2 2

P R P R

R f f f O N CH

R

P f f CO H O

a) La ecuacin global de combustin balanceada para 1.0

CH 2(O 3.773N ) CO 2H O 7.546N

Q H H

H 2 h h 7.546 h h h

H 74831Kj/Kmol

H h h 2 h h 7

=+ + + +=

= + + + + =

= + + + + [ ] [ ] [ ]

2

2 2 2

f N

P CO H O N

P R

i

i

P R

i

.54 h h

H 393546 h 2 241845 h 7.546 h

Si Q 0 y el flujo es estable: H H

Se supone una T y luego se comienza a iterar T 2300K

H 85154.6KJ H 74831KJ

T 2400K

+ = + + + += =

== < =

=P R

ad.

4 2 2 2 2 2

H 40862.8KJ H 74831KJ

Mediante interpolacin se obtiene una T 2323.3 K

b) El proceso de combustin usando un 20% de exceso de aire

CH (1 .2)2(O 3.773N ) CO 2H O 1.2(7.546)N

= > = =

+ + + + +2

ad.

0.2(2)O

Procediendo de forma similar se obtiene una T 2066.0 K

+=

Ejemplo 5. Si el proceso de combustin en un MECH de AN ocurre a

V constante y en forma adiabtica calcule la cantidad de calor desprendidocuando el motor esta trabajando a 2500 rpm consumiendo mezcla conriqueza = 1.0. El motor tiene una r C = 8.6 y se puede estimar un exponente

politrpico promedio durante la compresin de 1.3. Nota: utilice el modelo polinomial dado en los anexos para el clculo de las propiedadestermodinmicas de las especies


54/160

Primera ley y sistemas reactivos 45 tanto en el clculo de la energa de los reactantes no exista contribucin por

parte del O 2 ni del N 2.

C

inicial

-1 0.3

Determinac in de la T del p roceso

AN: (po 100 kPa, To 300 K)Ti To(r ) 300(8.6 ) 572.1 K

= == = =

Para hallar la temperatura final del proceso es necesario considerarque al no existir prdidas de calor la temperatura final debe ser latemperatura de llama adiabtica, por lo cual se procede en forma similar alcaso del Ejemplo 3. En vista de que el procedimiento de clculo es conocidose tom directamente el valor de temperatura de llama de la Tabla A7 delAnexo considerando a la gasolina como octano: T adiabtica = 2275.0 K.

Tad222Ti22188 ]47.16NO9H8CO[)]3.773N12.5(OH[C

: balanceadacombustindeglobalReaccin++++

Las funciones polinmicas segn tablas anexas en funcin de T son:

comb

i

2 3 4o -1

1 2 3 4 5 6

o 2 3 46

1 2 3 4 5u

Para el combustible, (Tabla A8):

T 1000

h 4184(a a a a a a )2 3 4

Para las especies qumicas, (Tabla A6):

h aT T T Ta a a a a

R T 2 3 4 5 T

=

= + + + +

= + + + + +

Aplicando la Primera Ley de la Termodinmica (Ec. 4) considerandoque la variacin del volumen en las cercanas del PMS es muy pequeadurante el proceso de combustin, se obtienen los siguientes resultados:


55/160


8 18 2

2

2 2

2

R

N

R

P

N

P

Usando la expresin matemtica para cada especie:

H ( 154626.6) 12.5(8363.0)

47.16(8068.59)

H 330425.60 kJH 8( 285391.26) 9( 154732.55)

47.16(66084.63)

H 559171.8

= + +

== + +

=

C H O

CO H O

R-P

R-P

R

8 kJ

H 889597.48 kJ

De la ecuacin global de com bustin balanceada se tiene:

M 64.16-60.66 3.5 kmolQ 889597.48 3.5(8.314)(2275 572.1)

Q 939150.17 kJ

El calor intercambiado /Kg de comb ustible:

Q

=

= == =

-P 8 188238.16 kJ/kg C H=


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Captulo 3

EQUILIBRIO QUIMICO3.1 Introduccin

3.2 Requerimientos para que exista equilibrio

3.3 Criterio de equilibrio qumico

3.4 Determinacin de la constante de equilibrio qumico

3.5 Composicin de los gases de escape

3.6 Anlisis de los productos de combustin


57/160


58/160

Equilibrio qumico 49

3.1 Introduccin

Para obtener valores ms precisos de la concentracin y formacin dedeterminadas especies es necesario recurrir a modelos mejor adaptados paramanejar un numero mayor de ecuaciones considerando aspectos reales, quede esta manera tomen en cuenta en los procesos, el efecto que tienen las altastemperaturas en la disociacin y reasociacin de las especies.

La investigacin de la ocurrencia de reacciones qumicas a altastemperaturas aunada a la capacidad de las mismas para realizarse en ambas

direcciones permite aplicar la teora del equilibrio qumico considerando ladependencia que tienen las especies qumicas para ir apareciendo en lamedida que la combustin va ocurriendo. Tericamente los modelos

predicen que el aumento de temperatura y empleo de mezclas ricas acelera el proceso de formacin de especies hacindolo mas complejo y difcil deanalizar. Similarmente los modelos indican que cuando la temperatura del

proceso disminuye la concentracin de las especies igualmente desciende.

Estudios reales sobre la composicin de los gases de escape de MCIArevelan que una gran cantidad de compuestos contaminantes son expulsadosa la atmsfera, y la teora del equilibrio qumico como herramienta permitecuantificar su presencia si se conocen las condiciones de presin ytemperatura en un instante dado. Sin embargo tambin es importanteconsiderar que durante la combustin en MCIA la formacin y desaparicinde muchas de estas especies, como por ejemplo los xidos de nitrgeno,

puede verse afectada por la disminucin de temperatura y la teora deequilibrio qumico empleada para su estudio deja de ser vlida. Por lo tanto

cuando el objetivo consiste en hacer anlisis de contaminacin se deberecurrir a tcnicas mas confiables.

3.2 Requerimientos para que exista equilibrio

En la Fig. 3.1 se muestran dos bloques en equilibrio, en el primer caso


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a) b)

Fig 3.1. Sistemas en equilibrio: a) estable, b) inestable.

encuentre aislado de sus alrededores. Desde el punto de vista prctico paraentender mejor esta idea se procede a considerar la posibilidad de que sehaga trabajo debido a algn tipo de interaccin entre dos partes del mismosistema.

Si se toman dos subsistemas y entre ellos se coloca un dispositivo porejemplo un motor de combustin interna los requerimientos para que elMCIA no realice ningn tipo de trabajo debern ser: que ambos subsistemasestn a la misma temperatura y que no existen fuerzas mecnicas des-

balanceadas entre los mismos.

Empleando un razonamiento general que se no solo se aplique a

sistemas simples compresible sino tambin a aquellos que puedan llevar acabo reacciones qumicas se emplear la funcin de Gibss, la cual es una propiedad importante que permite definir el criterio para equilibrio.

La funcin de Gibbs se aplica a un sistema que llevan a cabo unareaccin qumica y en el mismo la presin y temperatura estn en equilibrio


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Equilibrio qumico 51 22

sis CVCV i i i s s

CVe i

22 si

i erev i i i i s e e s

22 si

i erev i i e s

VVQ + m (h + +gZ )= m (h + +gZ )+ W

2 2

Qm (s -s )

TVV

W = m (h -T s + +gZ )- m (h -T s + +gZ )2 2

VVW = m (g + +gZ )- m (g + +gZ )

2 2

(1)

Si al aplicar la Ec. 1 a un proceso en particular se considera la posibilidad de tener temperatura constante, con una diferencia de cotas

despreciable y la idea de que el fluido puede sufrir cambios en lacomposicin y en la presin pero sin que ocurra combustin, el trabajo quese puede realizar es cero.

De lo anterior se deduce el criterio general de equilibrio para sistemassimples compresibles en los que se puede llevar a cabo alguna reaccinqumica que establece lo siguiente:

T,pdG 0= (2)

3.3 Criterio de equilibrio qumico

Para reacciones qumicas el criterio de equilibrio qumico se alcanzacuando la funcin de Gibbs es mnima, ver Fig. 3.2. Para un sistema cerradodonde no hay formas de intercambio de trabajo se tiene:

T, p

T, p, M

T, p, M

T, p, M

dG 0

dG 0 proceso espontneo

dG 0 proceso reversible

dG 0 proceso irreal

(3)


61/160


Fig 3.2. Funcin de Gibbs para la reaccin de una mezcla de CO y H 2O a

1000 K, CO + H 2O CO 2 + H 2.

debido al consumo o desaparicin de la especie C.

d[A] d[C]dt dt

= (4)

Si se aplica el concepto dado en la Ec. 4 para el caso de una mezcla degases, por ejemplo: CO 2, CO, y O 2, para la cual el equilibrio qumico seestablezca a una T dada y se exprese segn la Ec. 5 se tiene que la reaccinde disociacin de 1 mol de CO 2 en 1 mol de CO y 0.5 moles de O 2 ocurrir ala misma velocidad que la reaccin de recombinacin de 1 mol de CO y 0.5moles de O 2 para formar de nuevo 1 mol de CO 2.

GkJ/gmol

a

b

c

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-780

-790

-800


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pdVVdpdUdH

derivar al pV,UH

++=+=

(6)

Para un proceso a V y p constante y mediante aplicacin de los

conceptos de la Primera y Segunda Ley de la Termodinmica resulta:dH dU, por lo tanto

donde: Q dH dU=

= = (7)

Empleando la relacin de Gibbs, aplicada a un proceso isotrmico yusando nuevamente la Segunda Ley de la Termodinmica se obtiene:

G H -T S, derivando, dG dH -T dS-SdT

si Q T dS, entonces dH-T dS 0 para cambio s finitos: H-T S G 0

= =

= (8)

Con lo que a partir de la relacin de Gibbs se concluye que lasreacciones a T y p constante solo pueden ocurrir si el cambio G es menor igual que cero segn se expresa en la Ec. 9:

( )P R

T , p

G G G 0

G 0 si existe equilibrio

=

= (9)

3.4 Determinacin de la constante de equilibrio qumico

A continuacin se muestra un procedimiento que permite determinarla constante de equilibrio Keq cuando interviene una reaccin qumica, sehace uso de los conceptos bsicos de la Primera y Segunda Ley de laTermodinmica, as como tambin de la expresin de entropa para gasesideales.

Como modelo de ayuda el proceso de combustin se supone queocurre en una cmara en condiciones de flujo estable y se representa en laFig. 3.3, se considera la participacin de cuatro especies qumicas: A, B, C yD, las especies qumicas A y B desaparecen en la misma proporcin o razn


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MA moles de A

p, T

MB moles de B

MC moles de C

MD moles de D

Fig 3.3. Cmara de combustin trabajando a presin constante conformacin y desaparicin de especies en equilibrio trmico

i i

i o

A B C D

V p

S ,T p

S ,T p

A partir de la siguiente reaccin qumica

M A+M B M C +M D

Usando el cambio de entropa para un gas ideal

dT p dT VdS=C + dV, dS=C - dp, pv=R T

T T T TPara un proceso a p = const. resulta

dpdS=- R

p

i,T

i

ii,T i,T

o

ii i i,T i

o

ii i u

o

p, S =S -RLn

p

pG =H -TS =H -T S -R Ln

p

pde do nde se obtien e que G = G + M R T Ln

p

(9)

Para la ecuacin qumica en consideracin al aplicar la definicinobtenida para la funcin de Gibbs se puede determinar una expresin generalque permite calcular la constante de equilibrio qumico. La idea bsicaconsiste inicialmente en la aplicacin de la definicin a cada una de lasespecies qumicas que participan en la reaccin.

de esta manera para la especie A resulta:


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C D

C D C D A B

oA B

A B

A B C D

M MM M -M -M

C D A B u M M

i T

i i

T T

M A M B M C M D

de igual mane ra para toda la reaccin

p p G (G G )-(G G ) R T Ln p

p p

por se r p la presi n parci al y p la pre si on to ta l de la m ez cla ,

p Musando la relacin

p M

+

+ +

= + + +

=

C D A BC D

C D

A B

A B

C D A BC D

C D

A B

A B

i i T i

M M -M -MM M

TM M

o

M M -M -M G M MR uT T

M Mo

Y p p Y

Y Y p G G R uT Ln

Y Y p

por def in ic i n si G 0 - G R uT Ln(Keq)

Y Y pre su lta nd o q ue : K eq e xp

Y Y p

+

+

= =

= +

= =

= =

(10)

En esta definicin:

Los M i se obtienen utilizando ecuaciones de equilibrio qumico.

Las Y i se obtienen a partir de la ecuacin general de combustin.

Cuando bajo ciertas condiciones p T = p o entonces Keq = Keq(T).

Aplicando la definicin de la funcin de Gibbs, G = H - T S, a unareaccin qumica se concluye que si la diferencia G es positiva la reaccinqumica ser lenta favoreciendo a la formacin de reactantes, la constante deequilibrio Keq ser negativa y se dice que la reaccin absorbe energa; por elcontrario si esta diferencia resulta negativa se tendr una reaccin qumicamuy rpida favorecindose la formacin de productos, la constante deequilibrio Keq ser positiva y se producir liberacin de energa.

A continuacin se presentan algunos ejemplos de aplicacin paradeterminar la constante de equilibrio, considerando la presin de referenciade 1 atm.. Los valores para Keq en funcin de la temperatura para las


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continuacin: 2H 2O 2H 2 + O 2. Realice el clculo para los siguientescasos: a) p T = p o b) p T = 2p o.

2OH

O2H

OH2OH

O2H

OH

MMM

o

TM

OH

MO

MH

OH

MMMM

o

TMB

MA

MD

MC

222

2

22

2

2

22

2

O2H2O2H

O2H

2

2O

2

2H

2

2

BADC

BA

DC

Y

YY2(Keq) b)

Y

YY(Keq)a) :tantolo por

p p

Y

YY(Keq) :tieneseentonces

p p

YYYY

Keq :definicin por

OH2O2H

:aguael paraequilibriodereaccinlaUtilizando

==

=

=

+

+

+

Ejemplo 2. Un MECH trabaja consume mezcla C 8H18-aire conriqueza = 1.2, determine la composicin de los productos cuando en lacmara de combustin se tenga una T equilibrio = 1600 K y p = 100 kPa.

Es importante tomar en cuenta que para la solucin de estos problemas se debe considerar que existe un grupo de especies qumicas en

condicin de equilibrio qumico a una T especificada pero el conocimientode cuales especies son las que participan, es pertinencia de la ingenieraqumica.

Por lo tanto como prctica comn para casos de mezclas ricas, seutiliza el equilibrio entre las siguientes especies: CO 2, H 2O, CO, y H 2, paradeterminar la composicin de los gases quemados.

La ecuacin de la combustin para mezcla C 8H18- aire con = 1.2 es:

at

222222188

39.3i 42.10a 2.15.12M

relacionla

iNgHfCOOdH bCO)3.773Na(OHC

===

++++++


66/160


f d2b20.84O

)ecuaciones3yincognitas(4 gd9H

f b8C

++=+=+=

Se obtienen tres ecuaciones con cuatro incgnitas, por lo tanto se procede a usar la condicin de equilibrio qumico para obtener una ecuacinextra a partir de las reacciones qumicas de equilibrio. De la informacin delas Tablas A9 y A10 se pueden utilizar dos reacciones de equilibrio entre lascuales es necesario eliminar el O 2 ya que el mismo no aparece en los

productos. Seguidamente se procede a calcular las constantes de equilibrio para cada reaccin a 1600 K.

8.96211-4.3904E10-3.9347E

YY

YY

(Keq)(Keq)

(Keq)

:resultareaccionesambasenYlaEliminando

Y

YY(Keq)y

Y

YY(Keq)

O2HO2HR yO2CO2COR

2CO

2OH

2CO

2H

1

2K 1600

O

2OH

O2H

22CO

O2

CO1

2222221

2

22

2

2

22

2

2

====

==

+=+=

Dependiendo del numero de especies que en un instante dadocumplan con la condicin de equilibrio qumico a la temperatura y presinconsideradas se puede requerir de un mtodo matemtico mas elaborado

para la solucin del sistema de ecuaciones. Al resolver el sistema deecuaciones para este ejemplo se obtienen los siguientes valores para lacomposicin de los productos:

:esK1600aproductoslosdemolarfraccionLa

39.3N8.95H1.15CO

O5.99H6.85CO)3.773N10.42(OHC

8.95Mg 1.15Mf

5.99Md 6.85,M b

2

22

22

2222188

HCO

OHCO

++++++

====

====


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combustible de la celda. En este caso es importante conocer la constante deequilibrio de la reaccin en funcin de la temperatura. En la siguientereaccin se presenta un proceso de obtencin de Hidrgeno a partir deMeta

El Proceso de Combustion en MCI

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