combustión 2010 cfb

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

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

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

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

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