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  • TERMODINAMICA APLICADA 1ra Fase

    Ing. Camilo Fernndez B. 1

    TERMODINAMICA APLICADA

    TEMAS:

    COMBUSTION

    COMPRESIN EXPANSIN DE GASES

    APUNTES DE CLASE (En edicin)

    Por: MSc. Camilo Fernndez Barriga

    Arequipa, Mayo 2010

    CAPITULO 1

    COMBUSTION

  • TERMODINAMICA APLICADA 1ra Fase

    Ing. Camilo Fernndez B. 2

    INDICE (Combustin )

    1. Introduccin 4 2. Objetivos 6 3. Combustibles y Combustin 7

    3.1. Anlisis de los Combustibles 7 3.2. Composicin del Aire 8 3.3. Relaciones de Aire y Combustible 8 3.4. Combustin con Exceso o Deficiencia de Aire 10

    4. Anlisis de los Procesos de Combustin Terica y Real 13 5. Entalpia de Formacin y Entalpia de Combustin 17

    5.1. Calores de Reaccin 17 5.2. Base de Entalpia Igual a Cero 17 5.3. Entalpa de Formacin 18 5.4. Entalpa de Combustin 18

    6. Anlisis de la Primera Ley de Sistemas Reactivos 22 6.1. Sistemas de Flujo Estable 22 6.2. Sistemas Cerrados 23

    7. Temperatura de la Flama Adiabtica 26 8. Cambio de Entropa de Sistemas Reactivos 30 9. Anlisis de la Segunda Ley a los Procesos de Combustin 32

    9.1. Determinacin de la posibilidad de reaccin: combustin adiabtica 32 9.2. Funcin de Gibbs estndar de reaccin 34 9.3. Anlisis de Sistemas Reactivos 34

    10. Tema de Inters: Celdas de Combustible 37 10.1. Funcionamiento 37 10.2. Tipos de Celdas de Combustible 39 10.3. Conclusiones 40

    11. Resumen 45 12. Bibliografa y Referencias 48 13. Practica Dirigida 49 14. Problemas Domiciliarios 58 15. Anexos 61 16. ndice Alfabtico 80

  • TERMODINAMICA APLICADA 1ra Fase

    Ing. Camilo Fernndez B. 3

    1. INTRODUCCION

    La combustin tal vez es el proceso trmico de mayor inters prctico por su escala de

    utilizacin mundial, siendo a la vez muy fcil de realizar y muy difcil de estudiar, sea el

    proceso de reaccin qumica exotrmica auto mantenida por conduccin de calor y difusin de

    especies, conocido como combustin.

    Sus aplicaciones se pueden resumir en:

    Calefaccin de habitculos (hogueras, estufas, calderas),

    Produccin de electricidad (centrales trmicas),

    Propulsin (motores alternativos, turbinas de vapor, turbinas de gas),

    Proceso de materiales (reduccin de xidos, fundicin, coccin),

    Eliminacin de residuos (incineracin de basura),

    Produccin de frio (frigorficos de absorcin),

    Control de incendios (barreras cortafuegos, materiales ignfugos),

    Iluminacin (hasta finales del siglo XIX era el nico mtodo de luz artificial).

    El proceso de combustin es el ms importante en ingeniera porque todava hoy,

    aunque tiende a disminuir (96% en 1975, 90% en 1985 y aprox. 80 % en 1995), la mayor parte

    de la produccin mundial de energa se hace por combustin de petrleo, carbn y gas natural.

    Y no solo es importante el estudio de la combustin controlada de los recursos primarios usados

    es en la produccin de trabajo y calor, sino que tambin es preciso estudiar los procesos de

    combustin incontrolada (fuegos) para tratar de prevenirlos y luchar contra ellos. Adems, cada

    vez va siendo ms importante analizar la combustin controlada de materiales de desecho

    (incineracin), con el fin de minimizar la contaminacin ambiental.

    La combustin (quemar algo) es un proceso tan fcil de realizar porque genera mucha

    entropa y por tanto su viabilidad (tendencia a reaccionar) es muy alta; mucha energa ordenada

    en los enlaces qumicos pasa bruscamente a energa trmica (desordenada) de las partculas

    producidas. De hecho, el mundo que nos rodea est integrado por mezclas reactivas (p.e. el

    mobiliario o la vestimenta y el oxigeno del aire ambiente) en equilibrio metastable, y a veces

    basta con forzar localmente la reaccin (chispa) para que se auto propague, normalmente

    formando un frente luminoso (llama). Sin embargo, el proceso de combusti6n es difcil de

    analizar por los siguientes motivos:

    Es un proceso multidisciplinario (termoqumico - fluido dinmico) fuertemente

    acoplado,

    Los procesos de transporte de especies y calor (fenmenos de no equilibrio) son

    dominantes,

    La fuerte exotermicidad da lugar a altas temperaturas, enormes gradientes (llama), e

    importantes fuerzas de flotabilidad por dilatacin diferencial,

    Los enormes gradientes espaciales y los cortos tiempos de residencia en ellos provocan

    estados de no equilibrio local (quimioluminiscencia, ionizacin).

    Entre los tipos ms frecuentes de combustible son los materiales orgnicos que

    contienen carbono e hidrgeno. En una reaccin completa todos los elementos tiene el mayor

    estado de oxidacin. Los productos que se forman son el dixido de carbono (CO2) y el agua, el

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    dixido de azufre (SO2) (si el combustible contiene azufre) y puede aparecer xidos de

    nitrgeno (NO2), dependiendo de la temperatura de reaccin. En la combustin incompleta los

    productos que se queman pueden no reaccionar con el mayor estado de oxidacin, debido a que

    el comburente y el combustible no estn en la proporcin adecuada, dando como resultado

    compuestos como el monxido de carbono (CO). Adems, pueden generarse cenizas.

    No hace mucho tiempo que los procesos qumicos estaban casi totalmente a cargo del

    qumico o del ingeniero qumico. Pero cuando sobrevino la crisis energtica se plante la

    impresionante aseveracin de que todos los combustibles fsiles son finitos o agotables. De

    pronto a todo el mundo le interes el asunto de la energa, independientemente de los aspectos

    que se exponen en este captulo. Aunque el proceso de la combustin nunca ser comprendido

    por la mayor parte de la gente, es de esperar que todo ingeniero tenga un buen conocimiento de

    los combustibles fsiles y de su rpida oxidacin en aire.

    Los tipos ms frecuentes de combustible son los materiales orgnicos que contienen

    carbono e hidrgeno. En una reaccin completa todos los elementos tiene el mayor estado de

    oxidacin. Los productos que se forman son el dixido de carbono (CO2) y el agua, el dixido

    de azufre (SO2) (si el combustible contiene azufre) y puede aparecer xidos de nitrgeno (NO2),

    dependiendo de la temperatura de reaccin. En la combustin incompleta los productos que se

    queman pueden no reaccionar con el mayor estado de oxidacin, debido a que el comburente y

    el combustible no estn en la proporcin adecuada, dando como resultado compuestos como el

    monxido de carbono (CO). Adems, pueden generarse cenizas.

    La quema controlada de un combustible en el aire atmosfrico es una reaccin qumica

    exotrmica acompaada de un incremento sustancial en la temperatura. Como todos los

    procesos termodinmicos, tiene