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LABORATORIO DE MOTORESACTIVIDAD DE APRENDIZAJE N 02PROCESOS DE COMBUSTIN

I. COMBUSTIN

La combustin no es ms que una reaccin qumica de oxidacin, en la que normalmente se va a liberar una gran cantidad de calor (energa).

La reaccin de un elemento qumico con el oxgeno se llamaoxidacin.

Cuando el calor de reaccin es negativo, dicho calor es liberado o entregado por el sistema, y el proceso se llama exotrmico.

Si en cambio, el calor es positivo, el calor debe ser absorbido por el sistema durante la reaccin qumica y el proceso se denomina endotrmico.

Combustible: Toda sustancia (Hidrocarburo) capaz de arder.

Comburente: Sustancia (Aire) que aporta el oxgeno para que el combustible sufra oxidacin.

En una reaccin de oxidacin tendremos la siguiente ecuacin:

Primer Miembro Segundo Miembro Combustible + Comburente = Gases de combustin + Energa

Entonces la ecuacin tambin podra tomar la siguiente forma, donde las letras maysculas indican las sustancias qumicas y las minsculas indican la cantidad de moles de dichas sustancias. Y se denominan genricamente reactantes a las sustancias escritas antes del signo igual (A y B) y productos a las escritas despus del signo igual(C y D).

Se puede dar el caso en que el combustible est formado por una mezcla de sustancias entre las cuales hay una o ms que no reaccionan con el O2, por ejemplo SO2. En este caso, estas sustancias tambin pasarn en forma completa a los humos (productos).1.1. COMBUSTIBLESLos combustibles normalmente son una combinacin de Carbono, Hidrgeno y Azufre, tal como podemos ver en la siguiente tabla:

NOMBRE QUMICONOMBRE COMERCIALFRMULA

OctanoGasolinaC8H17

Iso-octanoGasolinaC8H18

DiselC12H26

Disel C14.4H24.9

PropanoGas Licuado de petrleoC4 H10

ButanoC3 H8

EtanoC2H6

MetanoGas naturalCH4

Alcohol EtlicoC2H5OH

BiodieselCH3 O CO R3

1.1.1. Propiedades de algunos combustibles

COMBUSTIBLEFORMULADENSIDADPODER CALORIFICO

GasolinaC8H18700 kg/m311,000 kcal/m3

DiselC12H26850 kg/m310,100 kcal/m3

Gas Natural90% CH4Lquido a -160C y presin atmosfrica.9,200 kcal/m3

GLP60%C4H10 40%C3H8Lquido a 20C y 2.5 bar22,244 kcal/m36, 595 kcal/lt

1.2. COMBURENTE (AIRE)

Sustancia gaseosa, transparente, inodora e inspida que envuelve la Tierra y forma la atmsfera; est constituida principalmente por oxgeno y nitrgeno, y por cantidades variables de argn, vapor de agua y anhdrido carbnico.

COMPONENTEFraccin Molar

N20.7809

O20.2095

Ar0.0093

CO20.0003

La masa molar de esta mezcla (Aire) es 28.967 kg/kmol

Para casi todos los clculos de combustin podemos tratar al Argn y al Dixido de carbono como Nitrgeno adicional ya que son inertes y aparecen en pequeas cantidades, Utilizando esta suposicin, un mol de Aire se compone de 0.79 moles de N2 y 0.21 moles de O2.

0.21mol O2 + 0.79mol N2 = 1mol Aire

Por lo tanto, el N2 pasar ntegramente a los humos.

1.2.1. COMPOSICION MOLAR Y MSICA DEL AIRE

BASE MOLAR

0.21 moles de O2 + 0.79 moles de N2 = 1 mol de aire

1 mol de O2 + 3.76 moles de N2 = 4.76 moles de aire

BASE DE MASA

0.232 kg de O2 + 0.768 kg de N2 = 1 kg de aire

1 kg de O2 + 3.31 kg de N2 = 4.31 kg de aire

II. TIPOS DE COMBUSTIN

Los procesos de combustin se pueden clasificar en:

2.1. COMBUSTIN COMPLETALas sustancias del combustible se queman hasta el mximo grado posible de oxidacin. En consecuencia, no habr sustancias combustibles en los humos (productos). En los productos de la combustin completa se puede encontrar:

REACTANTESPRODUCTOS

C+O2CO2

H2 + O2H2O

S + O2SO2

SH2+3/2O2SO2+ H2O

CO+1/2O2CO2

N2N2

NOTA El balance de materia de las reacciones qumicas se denomina estequiometra. Siempre se plantea en moles, y la sumatoria de masas de ambos miembros siempre deber ser iguales, tal como se muestra en el siguiente ejemplo:

2.3. COMBUSTIN INCOMPLETA. El combustible no se oxida completamente, se forman sustancias que todava pueden seguir oxidndose; por ejemplo, CO. Estas sustancias se denominan inquemados. La presencia de inquemados indica que la combustin se est realizando en forma incompleta. Otros inquemados pueden ser H2, CnHm, H2S y C. Estas sustancias son los contaminantes ms comunes que escapan a la atmsfera en los gases de combustin.

2.4. COMBUSTIN TERICA O ESTEQUIOMTRICA. Es la combustin que se realiza con la cantidad terica de oxgeno estrictamente necesaria para producir la oxidacin total del combustible sin que se produzcan inquemados. En consecuencia, no se encuentra O2 en los humos, ya que dicho O2 se consumi totalmente durante la combustin. Esta combustin se denomina terica porque en la prctica siempre se producen inquemados, aunque sea en muy pequea proporcin.

Considerando el proceso de combustin terico, en la Tabla 4 se presenta la informacin sobre los productos esperados en funcin de la riqueza de la mezcla para el caso de combustin de un hidrocarburo.

Al hidrocarburo de composicin general CnHm le corresponde una ecuacin de reaccin de combustin completa estequiomtrica de la siguiente forma:

2.4.1. Ejemplos de balances Estequiomtrico

a) Determine la cantidad de aire terico necesario y la fraccin molar de los gases de escape en una combustin completa del Isooctano (C8H18).Procedimiento de solucin:Inicialmente se plantea la ecuacin global de combustin y se realiza el balance msico de las cantidades de C, H, O y N.

Por lo tanto la cantidad de aire terico necesario para esta reaccin en moles es: 12,5 (1+3,773)= 59,66 mol.b) Utilizando una reaccin global de combustin efectu el balance qumico y determine la fraccin molar de los gases de escape cuando se quema una mezcla de Disel Premium y aire empleando la cantidad terica del aire (=1)

c) Utilizando una reaccin global de combustin efectu el balance qumico y determine la fraccin molar de los gases de escape cuando se quema una mezcla de B100 Ester metlico de palma y aire empleando la cantidad terica del aire (=1)

d) Utilizando una reaccin global de combustin efectu el balance qumico y determine la fraccin molar de los gases de escape cuando se quema una mezcla de Disel B5 y aire empleando la cantidad terica del aire (=1)

e) Utilizando una reaccin global de combustin efectu el balance qumico y determine la fraccin molar de los gases de escape cuando se quema una mezcla de Disel B5 y aire empleando la cantidad terica del aire (=1)

f) Determine la composicin de los productos para la combustin del Octanol (C8H17OH) con su cantidad de aire terico.

En el balance de masas se debe recordar que debido a que este combustible ya contiene un porcentaje de O2 en el clculo definitivo esta cantidad no es necesario suministrarla con el aire.

2.4.2. Ejercicios propuestos de balances Estequiomtrico

a) Utilizando una reaccin global de combustin efectu el balance qumico y determine la fraccin molar de los gases de escape para cada uno de los combustibles abajo descritos, oxidados con aire, empleando la cantidad terica del aire (=1)

2.5. COMBUSTIN CON EXCESO DE AIRE.

Es la combustin que se lleva a cabo con una cantidad de aire superior a la estequiomtrica. Esta combustin tiende a no producir inquemados. Es tpica la presencia de O2 en los humos. Si bien la incorporacin de aire permite evitar la combustin incompleta y la formacin de inquemados, trae aparejada la prdida de calor en los productos de combustin, reduciendo la temperatura de combustin y la eficiencia.

2.5.1. Ejemplos de balances con exceso de aire (mezcla pobre)

a) Utilizando una reaccin global de combustin determine la composicin molar de los productos de la combustin para la combustin de una mezcla de iso-octano con 25% del aire terico (e = 0.25).

Proceso de SolucinPara las especies cuando la riqueza < 1 se usa la Tabla 4. Se debe tomar 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 en estudio. Para este caso el nuevo requerimiento es 1.25 veces el terico y el exceso de aire aparece formando parte del O2 y N2 en los productos.

2.6. COMBUSTIN CON DEFECTO DE AIREEn esta combustin, el aire disponible es menor que el necesario para que se produzca la oxidacin total del combustible. Por lo tanto, se producen inquemados.

2.6.1. Ejemplos de balances con defecto de aire (mezcla rica)

a) Utilizando una reaccin global de combustin determine la fraccin molar de los productos de la combustin para la combustin de una mezcla de iso-octano y aire, Las condiciones de trabajo del motor indican que consume mezcla con riqueza = 1.2. Considere una temperatura en la cmara de combustin de 2000K.

Proceso de solucin:Segn la informacin dada en la Tabla 4 la ecuacin global de la combustin para los casos de mezcla rica muestra que se tienen 5 especies como productos, pero el balance msico solo permite plantear 4 ecuaciones, requirindose por lo tanto del empleo de una ecuacin extra (ecuacin de equilibrio). Para calcular la composicin de los productos de combustin en MCIA en el caso de emplear mezclas ricas la relacin adicional que se emplea es la reaccin de equilibrio agua-gas, la cual permite relacionar los moles de: CO2, CO, H2O e H2.

En este caso la combustin es incompleta y a diferencia de los casos de combustin completa, para su solucin se requiere junto con la reaccin de equilibrio conocer la temperatura a la cual las especies formadas se encuentran en equilibrio qumico.

Combustible + a (O2 + 3.773N2) b CO2 + d CO + f H2O + g H2 + i N2

Y la ecuacin de equilibrio agua-gas es:

CO2 + H2 = CO + H20

Cuya constante de equilibrio qumico, K, en funcin de la temperatura que relaciona los moles en equilibrio de productos presentes en la ecuacin global de combustin se halla a partir de la Ec. 8:

Para hallar el valor de K nos apoyaremos en el siguiente concepto:

El logaritmo neperiano o natural es el logaritmo cuya base es el nmero neperiano e=2,7182 y se denota por; , adems; .

=4.46

En funcin de los MH2O:

4

III. COEFICIENTE DE AIRE O RELACIN LAMDA

EJEMPLOS:

1) Un motor est quemando una mezcla Gasolina Aire del tipo 1/12,5 Cunto vale ?

Solucin

2) Un motor est quemando una mezcla Gasolina Aire del tipo 1/18 Cunto vale ?

Solucin

3) Un motor est quemando una mezcla Gasolina Aire del tipo 1,1 Cunto vale su relacin en peso?

Solucin

3.1. COEFICIENTE Y CARACTERISTICAS DE FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR OTTO

Considerando que el peso del aire terico que debera consumir por kg de gasolina es de 14.7, las caractersticas de funcionamiento del motor son los siguientes.

a) MEZCLA IDEAL =1

Entre 0,99 y 1,01; el motor debe funcionar con ste rgimen, tanto en ralent como en rgimen estacionario.

b) MEZCLAS POBRES >1

Entre 1,01 y 1,15; consumo mnimo, el motor pierde potencia.Entre 1,01 y 1,15; el motor pierde mucha potencia y aumenta el consumo. Se producen problemas de autoencendido y explosiones en escape.

Mayores que 1,30; la mezcla no es inflamable.

b.1. INCONVENIENTES: Calentamiento excesivo del motor Perdidas de potencia Deterioros en la vlvula de escape y en el catalizador.

b.2. VENTAJAS: Ahorro de combustible

c) MEZCLAS RICAS 1 y se denomina mezcla rica; Aumento de potencia Para aire estequiomtrico: = 1

EJEMPLOS:1) Determinar la relacin de equivalencia, para una combustin completa del metano en base molar y msica en las siguientes condiciones: 1.1) Con la cantidad terica del aire. 1.2) Con un exceso de 40 % de aire 1.3) Con un defecto de 20 % de aire

Solucin:La frmula qumica del metano es: CH4

1.1) Con la cantidad terica del aire.

1.2) Con un exceso del 40 % de aire, implica un 140 % o 1,4 del aire terico. Esto quiere decir que habr un excedente de oxgeno y nitrgeno en un 40 % en relacin a la ecuacin anterior. Balanceando nuevamente tenemos:

1.3) Cuando se trata de un 20 % por defecto de aire, es lo mismo que un 80 % del aire terico. Resolviendo la ecuacin y considerando que ahora debe aparecer en los productos monxido de carbono por tratarse de una combustin incompleta, tenemos

ING. JUAN J. NINA CHARAJA