TRANSFERANCIA DE CALOR MN 310

Presentación del tema: "TRANSFERANCIA DE CALOR MN 310"— Transcripción de la presentación:

1 TRANSFERANCIA DE CALOR MN 310
COMBUSTIÓN TRANSFERANCIA DE CALOR MN 310 Sección: B DIAZ AROSQUIPA Pedro José C DU-PONT PLASENCIA, Juan Carlos F VERA RUIZ Jonathan Efraín G

2 1. COMBUSTIBLES HIDROCARBÓNICOS
En una reacción de combustión intervienen dos sustancias básicas, el combustible (material oxidable) y el comburente (material comburente); los combustibles que veremos constantemente son los hidrocarburos en su forma sólida, líquida y gaseosa.

3 La forma más importante de hidrocarburo sólido es el carbón
La forma más importante de hidrocarburo sólido es el carbón. El carbón es una mezcla de carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre, agua y un material sólido no combustible: la ceniza.

4 Los hidrocarburos líquidos, como la gasolina, el keroseno y el combustóleo, se obtienen mediante la destilación del petróleo. Presentan ventajas sobre el combustible sólido: mayor limpieza en la combustión, fácil manejo y almacenamiento. La fórmula química general de los hidrocarburos líquidos es , e dependen de la familia de hidrocarburos. En realidad cualquier combustible, como la gasolina, es una mezcla de varios hidrocarburos. También están los carbohidratos .

5 Los combustibles hidrocarbónicos gaseosos también son una mezcla de diversos hidrocarburos. Presentan una combustión casi completa y de gran limpieza. Los productos de su combustión no presentan azufre, por lo que no son nocivos para el medio ambiente.

6 Análisis volumétrico de algunos combustibles (los números indican porcentajes).
H2 CH4 C2H6 C4H8 O2 CO2 N2 Gas de hulla 9 53.6 25 - 3 0.4 6 Gas pobre 29 12 2.6 4 52 Gas de alto horno 27 2 11 60 Gas natural I 1 93 Gas natural II 80 18 Gas natural III 3.5 0.5

7 2. PROCESO DE COMBUSTIÓN Consiste en la oxidación de los constituyentes del combustible, es posible formular una ecuación para describir dicha reacción. En el proceso de combustión ocurre una ligera reducción de masa debido a la ecuación de Einstein ; pero es sumamente pequeña y por lo general se desprecia. Combustión completa del carbono: Combustión completa de un hidrocarburo (metano):

8 Combustión con aire La mayoría de los procesos de combustión se realizan con aire y no con oxígeno puro. La composición volumétrica del aire es aproximadamente 21% de oxígeno, 78% de nitrógeno y 1% de argón. Debido a que sólo interesa el oxígeno en la reacción consideraremos 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno por lo tanto se considera la siguiente relación:

9 3. AIRE TEÓRICO La combustión del metano en presencia de aire es:
El nitrógeno no interviene en la combustión pero debe ser tomado en cuenta. La cantidad mínima de aire necesaria para oxidar los reactivos se conoce con el nombre de aire teórico. En la realidad se necesita más cantidad de aire para asegurar la oxidación total de todas las moléculas, por lo tanto se emplea un 25% más del aire que teóricamente se debe utilizar. La ecuación sería: Si el exceso de aire no es suficiente para permitir una combustión completa, entonces no todo el carbono se oxidará a dióxido de carbono, sino una parte se oxidará a monóxido de carbono. Cuando hay una cantidad considerablemente menor de aire teórico, aparecerán hidrocarburos no quemados, estos producen hollín o humo negro.

10 Para balancear una ecuación de combustión incompleta es necesario tener información acerca de los productos. Por ejemplo, supongamos que con el aire teórico la oxidación del carbono es del 90% en la combustión del metano, entonces:

11 4. RELACIÓN ENTRE AIRE Y COMBUSTIBLE
Dos conceptos importantes en el proceso de la combustión indican la proporción entre el aire y el combustible que intervienen, se trata de las llamadas relación aire-combustible, ra/f, y su recíproco, la relación combustible-aire, rf/a. Ambas pueden expresarse en términos de las masas (o números de moles) del combustible y del aire presentes. La ecuación de combustión es

12 5. PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN
En plantas de energía y otros equipos que utilizan grandes cantidades de combustible, es importante que la quema sea lo más eficaz posible. El más mínimo incremento en la eficiencia resulta de gran ahorro de dinero. Un factor importante en la eficiencia es el aire; si no se usa la cantidad suficiente, la combustión será incompleta y no se usará toda la energía química del combustible. Si se usa demasiado aire, el calor liberado por la combustión se desperdiciará en calentar el aire excesivo. Por lo tanto el objetivo es oxidar completamente con la menor cantidad de aire.

13 Análisis de Orsat El analizador de Orsat nos muestra el porcentaje volumétrico de los gases CO2, CO y el O2 en el producto de la combustión, al porcentaje restante se le asigna al N2. Esta información resulta valiosa para determinar relaciones, composición del combustible, etc.

14 Ejemplo: Un combustible desconocido presenta el análisis de Orsat siguiente: CO2: 12.5% CO: 0.3% O2: 3.1% N2: 84.1% Determinar la relación aire-combustible, la composición del material en base de masa, así como el porcentaje de aire teórico. Expresar la ecuación para el caso de 100 moles de productos secos. Balance de C: a = = 12.8 Balance del N2: d = 84.1; d/c = 3.76, c = 22.36 Balance de O2: = / e/2 e = 13.2 Balance de H2: b = 2e = 26.4

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16 6. ENTALPIA DE FORMACIÓN La entalpia de todos los elementos se supone nula en un estado arbitrario de referencia a 25°C y 1 atm de presión. La entalpía de formación de un compuesto es su entalpia a tal presión y a tal temperatura. Consideremos un proceso de combustión a estado estable en el que 1 mol de carbono y 1 mol de oxígeno, en el estado de referencia a 25°C y 1 atm de presión, se combinan para producir 1 mol de dióxido de carbono. Hay transferencia de calor, de manera que el dióxido de carbono finalmente existe en el estado de referencia. La ecuación de relación es Sea la entalpia total de todos los reactivos y la entalpía total de todos los productos. La primera ley de la Termodinámica que corresponde a este proceso es O bien Donde las sumas se efectúan sobre todos los reactivos y para todos los productos, respectivamente

17 Como la entalpia de todos los reactivos es nula (todos los elementos), encontramos que
Donde el calor transferido se mide cuidadosamente y resulta ser kJ. El signo es negativo porque el calor fluye desde el volumen de control, en sentido opuesto al asignado en la ecuación. La entalpia del CO2 en el estado de referencia, 25°C y 1 atm, se denomina entalpia de formación y se designa por Por lo tanto, El signo negativo indica que la reacción es exotérmica, se libera calor a partir de la combustión del carbono y el oxígeno.

18 7. ANÁLISIS DE SISTEMAS REACTIVOS EN ESTADO ESTABLE SEGÚN LA PRIMERA LEY
En general en un proceso de combustion en estado estable habra transferencia de calor y realizacion de trabajo. Por un balance de Energia se da: Q+∑ni*hi=W+∑nj*hj Q:calor W=Trabajo ∑n*h:sumatoria de entalpias por numero de moles

19 Q+∑ni*(hf°+(h°-h°298))i =W+∑nj*(hf°+(h°-h°298))j
En el analisis pueden utilizarse las entalpias de formacion (hf°)puesto q todas son referidas a la misma base. En los casos en los que ni los reactivos ni los productos se hallen a condiciones de referencia(25°C y 1 atm), se debe considerar el cambio de propiedad entre el estado de referencia y el estado real(h°-h°298) Añadiendo los efectos en el balance de energia: Q+∑ni*(hf°+(h°-h°298))i =W+∑nj*(hf°+(h°-h°298))j

20 8. TEMPERATURA DE COMBUSTIÓN ADIABÁTICA
En el caso en que no exista trabajo, transmisión de calor o cambio alguno en las energías cinética y potencial, entonces toda la energía térmica elevaría la temperatura de los productos de combustión. Si la oxidación es completa en tales circunstancias, se considera que la máxima cantidad de energía química se ha convertido en energía térmica, y que es máxima la temperatura de productos. Esta temperatura recibe el nombre de temperatura de combustión adiabática.

21 Factores que hacen que la temperatura de la mezcla sea menor que la temperatura de combustión adiabática: Combustión incompleta Combustión con exceso de aire Disociación de los productos de combustion

22 9. ENTALPIA DE LA COMBUSTIÓN, PODER CALORÍFICO
La entalpia de combustion hRP es la diferencia entre la entalpiade los productos yla entalpia de los reactivos, a misma presion y temperatura. hRP = HP – HR hRP = ∑nj*(hf°+(h°-h°298))j - ∑ni*(hf°+(h°-h°298))i

23 uRP = ∑nj*(hf°+(h°-h°298)-R*T)j – ∑ni*(hf°+(h°-h°298)-R*T)i
La energia interna de combustion uRP es la diferencia entre la energia interna de los productos y la energia interna de los reactivos. uRP = UP – UR uRP = ∑nj*(hf°+(h°-h°298)-R*T)j – ∑ni*(hf°+(h°-h°298)-R*T)i Considerándose reactivos y productos gases, de lo contrario se usa p*v en ves de R*T.

24 10. ANÁLISIS CONFORME A LA SEGUNDA LEY
El proceso de combustión es un proceso irreversible. El cambio de entropía en la reacción indica la irreversibilidad y en base a ello se puede determinar la parte de energía térmica liberada disponible. La Tercera ley de la Termodinámica establece que la entropía de todas las sustancias puras es nula en el cero absoluto(0 K).La entropía que a partir de esta base se llama ”entropía absoluta”(s°).

25 Para considerar entropía en condiciones no normales:
s2 = s°+Δs0-2 s2 = ø – R*ln(p) Si utilizamos el concepto de disponibilidad, el cambio de disponibilidad es igual al trabajo máximo posible en un proceso que se efectúa entre dos estados, y si el proceso se realiza a temperatura y presión constantes, el cambio de disponibilidad es igual al cambio en la función de Gibbs.

26 Si se integra la expresión entre las condiciones inicial y final
Wmax = diferencia de disponibilidad Wmax = ∑ni*gi-∑nj*gj El trabajo máximo se expresa como una cantidad positiva. La disponibilidad disminuye entre las condiciones inicial y final. Como g=h-T*s y T=To, en el caso de los sistemas reactivos se consideran: g=h-To*s

27 11. EQUILIBRIO QUÍMICO Y DISOCIACIÓN
-Conforme se produce una reacción, algunos productos se disocian, cuando se alcanza el equilibrio químico -La reacción se realiza en muchas direcciones, así no hay un cambio neto en los reactivos ni en los productos.

28 Determinar el equilibrio químico
-Cuando un sistema está en equilibrio deja de producir trabajo. -La función de Gibbs se puede usar en la determinación del trabajo máx. -Cuando la función de Gibbs de los reactivos y productos es igual no puede efectuarse trabajo, por tanto alcanzando el equilibrio. (dG)T,p=0

29 -La energía de productos y reactivos debe ser igual.
-El cambio de la función total de Gibbs sería: -A presión y temperatura constante: Resulta en:

30 Sustituyendo los potenciales químicos:
la relación se convierte en: Es el cambio de energía estandar de Gibss Y:

31 Por lo tanto: Que conduce a:

32 12. EFICIENCIA DE UN GENERADOR DE VAPOR Y DE UNA PLANTA TÉRMICA
-Según la 1ra ley de la Termodinámica, la eficiencia de cualquier dispositivo que transforma energía se evalúa como el cociente de la energía de salida y entrada. -La energía que se proporciona al agua equivale a su cambio de entalpía desde que entra hasta cuando sale como vapor

33 La eficiencia de una planta térmica se evalúa por medio de su consumo específico de combustible o por su consumo específico de calor. c.e. comb.=mcomb/Wneto

34 En la ecuación anterior no se considera el poder calorífico del combustible, y se ha demostrado que dicho valor es indispensable, por lo tanto las normas modernas recomiendan el uso del consumo de calor específico. c.e. cal. = mcomb*hRP/Wneto