teoria combustion 2

7/24/2019 Teoria Combustion 2

1/39

COMBUSTIN : INTRODUCCIN

1. ELEMENTOS DEL PROCESO DE COMBUSTIN

Combustibles

ComburenteProductos de la Reaccin

Factores que influyen en la Reaccin

2. COMBUSTIN: DEFINICIONES


2/39

ANLISIS INMEDIATO

Carbono fijoContenido voltiles

cenizas agua

COMPOSICIN ELEMENTAL

C kg C Kg combustible

H kg H Kg2

S kg S Kg

O kg O Kg2 W kg H O Kg

2

P kg cenizas Kg

1 kg. de COMBUSTIBLE

FRMULA QUMICA

C HN m

L

1. ELEMENTOS DEL PROCESO DE COMBUSTIN

COMBUSTIBLE + COMBURENTE = PRODUCTOS DE LA REACCIN

1. COMBUSTIBLES

Slidos / Lquidos / Gaseosos

2. COMBURENTE

Ai re : 79%2

21%2

N O,

OxgenoAire enr iquecido

Si es gaseoso seexpresa en

Nm Nm3 3 decombustible

Proporciona informacinsobre cualidades del

combustible


3/39

3. PRODUCTOS DE LA REACCIN

Fase gaseosa : CO CO SO N Ox2 2 2 2, , , , (NO ), H O

2 procedente de

Fase slida :

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA REACCIN

Necesidad de vaporizacin

(Salvo el C fijo de los combustibles slidos)

Quemadores

Temperatura

De inflamacin: Necesaria para que se empiece aproducir la reaccin.

De ignicin: Necesaria para que la reaccin semantenga sin adicin externa decalor.

Presencia de oxgeno

(Homogeneidad de la mezcla)

combustiblereaccin H

2

Aire

ResiduoCenizas

Carbono no quemado


4/39

2. COMBUSTIN : DEFINICIONES

1. COMBUSTIN

Reaccin de oxidacin rpida y exotrmica entre oxgeno y uncombustible.

2.TIPOS DE COMBUSTINCompleta : Todos los componentes del combustible se oxidantotalmente.

Incompleta : No todos los componentes del combustible seoxidan totalmente.

Estoquimtrica : La reaccin tiene lugar con el oxgeno tericonecesario para la combustin completa (oxgenoestequiomtrico).

Oxidante : Se introduce ms oxgeno del terico necesario.

Reductiva : Se introduce menos oxgeno del terico necesario.

3. EXCESO DE AIREPorcentaje de exceso de aire = aire introducido (AR) - aireterico ( AT) dividido entre aire realmente introducido.

% A A

AR T

R

100

Coeficiente de exceso de aire = relacin entre AR y ATn A A

R T

4.PODER COMBURVORO (A0)Ai re necesario para la combustin completa de la unidad de

combustible (m kg combustible3 kg kg combust ible) .

5.PODER FUMGENO (V0)Gases producidos en la combustin completa de la unidad de

combustible sin exceso de aire (m kg combustible3 kg kg combust ible) .

Los gases pueden ser secos o hmedos.


5/39

BALANCE DE MASA

1. INTRODUCCIN

ObjetivoAplicacin

Hiptesis

2. BALANCE DE CARBONO

Determinacin del C en humos (x) Determinacin de a y b

3. BALANCE DE OXGENO (Para combustin delCarbono)

Oxgeno para combustin completa Oxgeno Introducido Oxgeno Empleado

Oxgeno en los humos

4. BALANCE TOTAL POR KG. DE COMBUSTIBLE

5. CIERRE DEL BALANCE DE MASA


6/39

1. INTRODUCCIN

OBJETIVO :

APLICACIN :

HIPTESIS :

C C C

H H - O/8 Hd

S S S

O

W W O 98

W

P P P

1 Kg. 1 Kg. 1 Kg.

Calcular los caudales y composicinde los elementos de la reaccin.

Paso previo al balance de energa. Dimensionado equipos auxil iares.(ventiladores,quemadores, chimeneas ...) Conocer el estado de la combustin.

El combustible est dado por su composic inelemental.

No existe N2en el combustible.

Todo el O2

en el combustible est en forma

de H O2

.

El nico componente activo que no reaccionacompletamente es el C.

------ ------


7/39

CO2

CO

CHUMOS

RESIDUO

2. BALANCE DE CARBONO

Combustible con C kg C/Kg Cble yp kg Cenizas/kg Cble.

COMBUSTIN DEL C

C O COkcal

kg C

2 2 8080

C O COkcal

kg C

1

222002 ( 70% prdida )

Se supone que una parte del carbono se quema a monxido, yotra parte queda sin quemar (residuo).

b

kg C

kg cble

x

a

cR

x a b

C x CR

=

=

Residuo


8/39

DETERMINACIN DEL C EN HUMOS (X)

C x CR

CR se determina analizando el residuo de lacombustin (C inquemado y cenizas )

1 Kg.deresiduo

CRR

R

Ckg C en residuokg de residuo

Ckg cenizas

kg de residuo

pkg cenizas

kg combustible

'

'1

CC

Cp

kg C en residuo

kg combustibleRR

R

=

'

'1

x C

C

C p

kg C en humos

kg cble

R

R

=

'

'1

Se ha necesitado Anlisis de combustible C pAnlisis del residuo CR

CR' (carbono sin quemar)

1

CR

' (cenizas)


9/39

DETERMINACIN DE a y b

Se hace un anlisis de gases

Moles totales formados : m

x k moles

kg cbleT=

12

m m mT CO CO2

x a b

12 12 12

m

m

V

V V mm VV VCO

TCO

CO COCOT

COCO CO

2 2

2 2

=

=

,

V VCO CO y CO2 , = parciales de CO presentes en los humos2

m mV

V Vm m

V

V VCO TCO

CO CO CO T

CO

CO CO2

2

2 2

=

=

,

Se ha necesitado

volmenes

a xV

V V

kg C COCO

CO CO=

2

2

2en humos

combustiblekg

b x

V

V V

kg C COCO

CO CO= 2

en humos

combustiblekg

Anlisis de gases V VCO CO, 2

Anlisis del Residuo x

Relacin molar = Relacin Volumtr ica


10/39

BALANCE DE OXGENO (Para Combustindel Carbono)

OXGENO PARA COMBUSTIN COMPLETA(Todo el C CO2)

1

1 12 122 2Kmol O

Kmol C

Kmol C

kg C

C k g C

kg cble

C Kmoles O

kg cble =

C x C a b CR R12 12 12

=

OXGENO INTRODUCIDO:COEFICIENTE DE EXCESO N

noxigeno es

aire intro

aire esteq=

oxigeno introducido

tequiometrico

ducido

uiometrico

n a b C n x C n C Kmoles Okg cble

R R

=

=

12 12 122

OXGENO EMPLEADO

Para producir el CO2:

1

1

1

12 12

2 22Kmol O

KmolC

Kmol C

kg C

a kg C CO

kg cble

a Kmoles O

kg cble

=

Para produci r el CO:

1 2

1

1

12

2

122 2Kmol O

Kmol C

Kmol C

kg C

b kg C CO

kg cble

b Kmoles O

kg cble

=

a b Kmoles O

kg cble

2

12

2


11/39

OXGENO EN LOS HUMOS DEBIDO A COMBUSTIN C

n

a b C a b

n

C b C Kmoles O

kg cbleR R

=

12

2

12 1 12

2

12 122

( )

Lo que se pone Lo que se usa Lo que sobra

OXGENO EN LOS HUMOS DEBIDO A COMBUSTINDEL COMBUSTIBLE. Combustible Genrico: C,H,S.

O2para combustin C:

O2terico:

O2 introducido:

O2 consumido:

O2en humos:

N2 en humos:

O C

212

=

O C S H

T= + +

12 32 4

O nOI T

=

a b S H O

b C

T

R

12

2

12 32 4

2

12 12+ + + =

/ /

nO O b C

n O b C

T T

R

T

R

= + +

/( )

/2

12 121

2

12 12

79

21

79

21O nO

I T=


12/39

BALANCE TOTAL POR KG DE COMBUSTIBLE

REACCIONES OT OCONSUMIDO

P.REACCIN

(FASE GASEOSA)P.REACCIN

(FASESLIDA)

a C O CO+ 2 2 12/a [ ]a CO12 2

b C O CO+ 12 2 12C

122b [ ]COb12

CR -- -- --R

C

H H O H O2 2 21

2+

4

dH

Hd

4 [ ]OHH 22

S

S O SO+ 2 2 32

S 32S [ ]232 SOS

W -- -- [ ]OHW 218 P -- -- -- P

n OT Oxigeno real

[ ]21212

2

)1(

OCb

On

R

T

+

+

79/21 nOT

N2real [ ]221

79NOn

T

gases residuo

MASA DE AIRE + 1 kG. COMBUSTIBLE = MASA GASES + RESIDUO

1

kg.

CBLE

AIRE


13/39

VOLUMEN DE HUMOS SECOS

V V V V V Vfs CO CO SO O N2 2 2 2

Va b S

n Ob C

n Ofs TR

T

12 321

2

12 123 76( ) ,

kmol

kgCB

CO CO2 SO2 O2 N2

VC S

n Ob N m

kg CBfs T

12 324 76 1

2

1222 4

3

( , ) ,

VOLUMEN DE HUMOS HMEDOS

V V Vfh fs H O 2

V VH W

Nm kg CBfh fs

2 1822 4 3,

PODER COMBURVORO

A O Nm kg CBO T 4 76 22 43, ,

PODER FUMGENO

Seco V

C S

O

N m

kg CBos T

12 32 3 76 22 4

3

, ,

Hmedo VC S

OH W N m

kg CBoh T

12 323 76

2 1822 4

3

, ,

EXPRESIONES PARTICULARES (COMBUSTIN COMPLETA)

V V Afs os o (n )1

V V Afh oh o (n )1


14/39

CIERRE DEL BALANCE DE MASA

vcofs

aV2

12 22 4= , (1)

vcofs

b

V=

1222 4,

(2)

vsofs

S

V232

22 4= , (3)

vo

TR

fs

n O b C

V2

1 2

12 12 22 4=

+ +

( )

, (4)

vNT

fs

n O

V23 76

22 4= ,

, (5)

V C S

n O b

fs T= + + +

12 324 76 1

2

1222 4( , ) ,


15/39

INCGNITAS : n, a, b, CR

(Necesitamos 4 ecuaciones)

BALANCE DE CARBONO a b C C R+ + = (A)

ANLISIS DEL RESIDUO (CR)C

C

C

pRR

R

=

'

'

1 (B)

y los otros 2 salen de 1 a 5 , por ejemplo :

ANLISIS DE LOS GASES vCO f a b n2 = ( , , ) (C)

si v vCO O2 2y fuesen datosvO Rf a b C n2 = ( , , , ) (D)


16/39

COMBUSTIN. BALANCE DE ENE

Primer Principio Aplicado a Sistemas Abiertos: Balance de en

Entra + Generada = Sale + Acumulada

) ) tTsPRTeSR

QHH +=

Ts

HH

S

HP

Te

)TsPR

H)TeSR

H

tQ


17/39




) ) tTsPRTeSR

QHH +=

Expresamos la entalpa en trminosrelativos a la temperatura dereferencia

) ) )

Te

TrefSRTrefSRTeSR HHH +=

) ) )TsTrefPRTrefPRTsPR

HHH +=


18/39




) ) tTsPRTeSR

QHH +=

Expresamos la entalpa en trminosrelativos a la temperatura dereferencia

) ) )

Te

TrefSRTrefSRTeSR HHH +=

) ) )TsTrefPRTrefPRTsPR

HHH +=

H

Tref

)TrefPRH


19/39


Sustituyendo en la ecuacin de balance tenemos:

) ) ) ) t

Ts

TrefPRTrefPR

Te

TrefSRTrefSR QHHHH ++=+

Reordenando los trminos:

) ) ) ) tTs

TrefPR

Te

TrefSRTrefPRTrefSR QHHHH +=+

) ) t

Ts

TrefPR

Te

TrefSR QHHPCm +=+&


20/39


Grficamente ) ) tTs

TrefPR

Te

TrefSR QHHPCm +=+&

Ts

HHSR

HPR

Tref

)TsTrefPR

H

Te

) 0 TeTrefSRH

PCm& tQ


21/39


Grficamente ) ) tTs

TrefPR

Te

TrefSR QHHPCm +=+&

Ts

HHSR

HPR H2O liq

Tref

)TsTrefPR

H

Te

) 0 TeTrefSR

H

PCSm& tQ

H

Tref

H

Te

) 0 TeTrefSR

H

PCIm&

Hay que tomar una decisin para utilizar PCI o PCS Tref


22/39


) OHOHOHfsfsfscbleTsTrefPR CpVCpVmH +=

222

________

&

) ( sfhfhfhcbleTs

TrefPR TCpVmH

=

____

&

Clculo del incremento de entalpa de los productos de la

Prdidas por humos


23/39


Temperatura adiabtica: Es la mxima temperatura de sade combustin, se alcanza cuando no se transfiere calor a

Clculo de la temperatura adiabtica

) ) Ts

TrefPR

Te

TrefSR QHHPCIm +=+&

) ( fhfhfhcble

Te

TrefSR TCpVmHPCIm

=+

____

&&


24/39

BALANCE DE ENERGA

1. BALANCE DE ENERGA EN PROCESOS DECOMBUSTION

2. MTODO SIMPLIFICADO


25/39

1. BALANCE DE ENERGA EN PROCESOSDE COMBUSTIN

Consideremos en primer lugar un caso ideal con prdidas nulas

Se T

PRT

T

SR HQH +=

e

R

Re T

TSR

T

SR

T

SR HHH += s

R

Rs T

TPR

T

PR

T

PR HHH +=

)()(

1

,

1

,

1

,

1

,

Rs

PR

i

jpjTRe

SR

i

ipi

PR

j

T

T

jpjT

SR

i

T

T

ipi

T

TPRT

T

TSR

T

PR

T

SR

T

TPR

T

PRT

T

TSR

T

SR

TTCnQTTCnPCm

dTCnQdTCnPCm

HQHHH

HHQHH

s

R

e

R

s

R

e

R

RR

s

R

Re

R

R

+=+

+=+

+=+

++=+

==

==

&

&

12

2

1

TT

dTC

C

T

T

p

p

=

Qintroducido=Qtransferido+Qgases+Prdidas


26/39

Consideraciones:

1. Poder calorfico:

Superior. Agua a la salida en estado l quidoInferior. Agua a la salida en estado gaseoso

2. Temperatura de referencia:

A la entrada el estado de referencia es gaseoso. En caso de serlquido tendra que ser bajo cero para que licuase el N2.

T

HSustanciasreaccionantes

Productos dela reaccinE

QTPC

S

Tref Tent

Textrema

Tsal


27/39

2. MTODO SIMPLIFICADO

Como vimos el incremento de entalpa sufrido por las sustanciasreaccionantes es despreciable, centrmonos, pues, en el clculodel incremento de entalpa de los productos de la reaccin.

]

[ ]

[ ]

H n c T T V c T TPR TT

i p T

T

S R i i p T

T

S RR

S

iR

S

iR

S= =

n c nkMOL

kgCBc

kJ

kMOL C

kcal

kJ

kcal

kgCB Ci p ii

p

i

i i

.

0 24

V c nkMOL

kgCB

Nm

kMOL

kg

Nm ic

kcal

kg C

kcal

kgCB Ci i p ii i

i

ipi i

22 43

3'

'

i

PESO MOLECULAR kg i

Nm i

( )

'22 4 3

Para el clculo simpli ficado se puede tomar

HUMOS SECOS

]

H V c T Tfs TT

fs i p S RR

S

i

i=1.3 kg/Nm3

Cpi=0.25 kcalkg C

(prop. del aire seco en condiciones normales)

HUMOS HMEDOS

[ ]

H V V T Tfh TT

fs H O S RR

S= 13 0 25 0 8 0 452. . ' .


28/39

RENDIMIENTO

1.EXPRESIN GENERAL DEL RENDIMIENTO

2.CALOR INTRODUCIDO

3.PRDIDAS POR INQUEMADOS

3.1 Inquemados Slidos

3.2 Gaseosos

3.3 Prdidas debidas a los Humos Secos

3.4 al Vapor de Agua

3.5 sensibles en Residuo

3.6 por Conveccin y Radiacin

4.DIAGRAMA DE SANKEY

5.PRECALENTAMIENTO DE LA CARGA

6.PRECALENTAMIENTO DEL AIRE DE ENTRADA(Recuperadores)


29/39

1. EXPRESIN GENERAL DEL RENDIMIENTO

EFECTOTIL

ENERGA PRDIDASAPORTADA

=

u

a

DIRECTO (1)

= 1P

a INDIRECTO (2)

DA LO MISMO ... PERO NO ES IGUAL

(2) Permite descubr ir las causas de un bajo rendimiento ...

CUESTIONES A TENER EN CUENTA :

1. Nivel de Referencia (PCI, PCS)2. Volumen de Control (slo generador, elementos auxi liares)3. Perodo de tiempo (Instantneo, Estacional, Anual ...)4. Rendimiento energtico o exergtico.5. Energa aportada o energa primaria

a u PGENERADOR


30/39

2. CALOR INTRODUCIDO

Q m PCI m n A C T Troducido CB CB o p e r int ( )

Clculo de PCI :

1.PCS x PCS C PCS H PCS S PCSi i C H S

=

2

PCS kcal kg

PCS kcal kg

PCS kcal kg

C

H

S

=

=

=

8100

34320

22452

2. PCI PCS Calor latente de agua evaporada

PCI PCS H W 600 9( )


31/39

3. PRDIDAS POR INQUEMADOS (Pi)

1. INQUEMADOS SLIDOS (Pis)

P Cis R 8100

CC

CPR

R

R

=

'

'1

PC

CPis

R

R

=

'

'18100

]

kcal kg CB

2. INQUEMADOS GASEOSOS (P )ig

P n PC V Vig i i CO fs= = 3020 3020vCO

(CO O CO kcal kg CO1

230202 2 )

vCO2=

a

Vfs

12

vCO=bVfs

12

Va b C C

fsR

=

v v v v

=

12

1

12

1

CO CO CO CO2 2

PC C

igR

=

v

v v

CO

CO CO212

22 4 3020, ]

kcal kg CB

o bien : C O CO2 2 8100

C O CO1

225002

5600kcal

kgCBperdidas

P big= 5600 b C CR

( ) v

v v

CO

CO CO2

v vCO CO2 =

a b

Vfs

12

1


32/39

3. PRDIDAS DEBIDAS A LOS HUMOS SECOS (Pfs)

P V C T Tfs fs pfs

s r ' ( )

]

kcal kg CB

1.3 0.25

4. PERDIDAS DEBIDAS AL VAPOR DE AGUA (P )H O2

P V C T TH O H O p H O S r2 2 2= ( ) ]kcal kg CB

0.8 0.45

VH W

H O2

2 18

(No se incluye el latente porque trabajamos con PCI)

5. PRDIDAS SENSIBLES EN RESIDUO (Pres )

P C p) C T Tres R pres

res r ( ( ) ]

kcal kg CB

6. PRDIDAS POR CONVECCIN Y RADIACIN (Pc/r)

P U A T T mCV r r g ext CB( ) ]kcal kg CB


33/39

DIAGRAMA DE SANKEY (Por kg de CB)

PCI Haire TTe

r

Combustin Cis igPCI P P

PCI

PCI '

Hogar

HT

aire T

T

Q

PCI Hr

e=

'

QT Qgases

Transferencia

Gases TFutil

T

Q

Q

Qutil PH O2 Pfs

RENDIMIENTO GLOBAL :

Gutil

aire T

T

Q

PCI H re

=

G C H TF

Pis+Pig

Pc/r


34/39

PRECALENTAMIENTO DE LA CARGA

SITUACIN INICIAL

Agua caliente

[ ]

m PCI H

Q m P

m VC VC T T

CB CB a T

T

util CB c r

CB pfS

pH O

g r

r

e

=

2

Agua f ra

SITUACIN FINALt wR

Tg e, Tg s,

t w s, Agua caliente

Aguafra

[ ]

m PCI H

Q m P

m VC VC T T

CB r

e

util

CB

CB a T

T

CB c r

p fS p H O g,e r

'

'

'

=

2

Q C T Tg g,e g,sin t ( )


35/39

Q C T Tw w s w eint , ,( ) Q Q Qutil util '

int.

Q C Tmin minint ( )

C m VC VCg p fS p H OCB '

2

[ ]

C Min C Cmin g w,

[ ]

T T Tmax g,e w e

,

Hiptesis :

CB Se conserva

m PCB c r

T Tg,e g


36/39

m PCICB m PCICB'

m PCB is m PCB is'

m PCB ig m PCB ig

'

m PCICB' '

m PCICB'

QT'

QT

m PCB c r m PCB c r

Qutil P P mfS H O CB2 Q util'

Qin t mCB'

Qutil

SITUACIN INICIAL


37/39

SITUACIN FINAL


38/39

PRECALENTAMIENTO AIRE DE ENTRADA(Recuperadores)

SITUACIN INICIAL

CBTg

AIRE

0

[ ]

m PCI H

Q m P

m VC VC T T

CB CB a T

T

util CB c r

CB p fS p H O g r

r

a

=

2

'

SITUACIN FINAL

Ai reCB

Aire

t a e,

Tg e, Tg S,

t a e,

Qutil

CARGA

Qutil

CARGA


39/39

[ ]

m PCI Q

Q m P

m VC VC T T

CB CB

util CB c r

CB p fS p H O g,e r

'int

'

=

2

Q C T Tg g,e g,sin t ( )

Q C T Ta a s a eint , ,( )

Q C T ta g e a eint , ,( )

[ ]

C

mT T

AF

mT T T Pg

CBef g,e

CBg,e g c c r ' '

=

4 4

[ ]

T TPCI n A C t T

VC VCef rCB o p a a s r

p fs p H O

=

,

2

t f Ta s g, ,e

teoria combustion 2

Documents