Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos: combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.

Equa ion Chap e 1 Sec ion 1 T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía de las Tecnologías Indus iales He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos: combus ibles sólidos, líquidos y gaseosos. Au o : D. Al onso Fuen es Pé ez Tu o : P o eso Doc o D. An onio Muñoz Blanco Dep. Ingenie ía Ene gé ica. G upo de Máquinas y Mo o es Té micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2015 ii T abajo Fin de G ado G ado en Ingenie ía de las Tecnologías Indus iales He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos: combus ibles sólidos, líquidos y gaseosos. Au o : D. Al onso Fuen es Pé ez Tu o : P o . D . D. An onio Muñoz Blanco Ca ed á ico de Máquinas y Mo o es Té micos Depa amen o de Ingenie ía Ene gé ica. G upo de Máquinas y Mo o es Té micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie ía Uni e sidad de Se illa Se illa, 2015 i 1 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa AGRADECIMIENTOS: A mis pad es po dá melo odo en es a ida, y al es o de mi amilia y amigos, po su apoyo incondicional du an e mis años de ca e a. El p esen e T abajo de Fin de G ado ha sido ealizado bajo la supe isión del P o eso Doc o D. An onio Muñoz Blanco, a quien me gus a ía exp esa mi p o undo ag adecimien o po hace posible la ealización del mismo; además de po su paciencia, iempo y dedicación pa a que el esul ado ob enido uese el mejo posible. 2 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa INDICE Con enido 1. Resumen ........................................................................................................................... 5 2. In oducción ...................................................................................................................... 5 2.1. Obje i o y alcance ..................................................................................................... 5 2.2. De inición ................................................................................................................. 6 3. Elemen os in oluc ados en la combus ión y eacciones. ..................................................... 6 3.1. Combus ibles ............................................................................................................. 6 3.2. Combu en e ............................................................................................................... 7 3.3. P oduc os de la combus ión ....................................................................................... 8 3.4. Ene gía libe ada ......................................................................................................... 9 3.4.1. Calo es de combus ión ....................................................................................... 9 3.4.2. Pode calo í ico ................................................................................................ 10 4. Tipos de combus ión ....................................................................................................... 11 4.1. Velocidad de p opagación del en e de llama. ......................................................... 11 4.2. G ado de oxidación. ................................................................................................. 11 4.3. Can idad de oxígeno la combus ión .......................................................................... 12 5. Pa áme os de la combus ión ........................................................................................... 12 5.1. Pode combu í o o .................................................................................................. 12 5.2. Pode Fumígeno ...................................................................................................... 12 5.3. Oxígeno eó ico (OT) o es equimé ico .................................................................... 12 5.4. Exceso de ai e (n) ................................................................................................... 14 5.5. Oxígeno in oducido (OI)......................................................................................... 14 5.6. Volumen de humos secos ( s)................................................................................. 14 5.7. Volumen de humos húmedos ( h)........................................................................... 16 6. P opiedades de combus ibles ........................................................................................... 17 6.1. Composición ........................................................................................................... 17 6.2. Viscosidad ............................................................................................................... 18 6.3. Densidad ................................................................................................................. 18 6.4. Pode calo í ico ....................................................................................................... 18 6.5. Lími e de in lamabilidad .......................................................................................... 19 6.6. Tempe a u a de in lamación..................................................................................... 19 6.7. Tempe a u a de ignición .......................................................................................... 20 6.8. Tempe a u a de au oignición .................................................................................... 20 3 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa 6.9. Tempe a u a adiabá ica ............................................................................................ 20 6.10. Con enido en azu e ............................................................................................. 21 7. Tipos de combus ibles ..................................................................................................... 21 7.1. Combus ibles sólidos: ca bón................................................................................... 22 7.1.1. Tipos de ca bón................................................................................................ 22 7.1.2. Análisis del ca bón ........................................................................................... 24 7.2. Combus ibles líquidos: hid oca bu os de i ados del pe óleo ................................... 26 7.2.1. Tipos de hid oca bu os líquidos........................................................................ 26 7.2.2. Gasolinas y na as ............................................................................................ 27 7.2.3. P opiedades ele an es en los combus ibles líquidos ......................................... 28 7.3. Combus ibles gaseosos: gas na u al y gas licuado del pe óleo ................................. 28 7.3.1. Tipos de combus ibles gaseosos ....................................................................... 28 7.3.2. P opiedades de los gases .................................................................................. 29 8. Aplicaciones más des acables y equipos .......................................................................... 29 8.1. Quemado es de gas .................................................................................................. 30 8.2. Mo o de combus ión in e na con ciclo O o ............................................................. 30 8.3. Mo o Diesel............................................................................................................ 30 8.4. Tu bina de gas ......................................................................................................... 30 8.5. Ho nos indus iales .................................................................................................. 30 8.6. Calde as de apo de ca bón pul e izado ................................................................. 30 9. Llamas ............................................................................................................................ 31 9.1. P opiedades de las llamas ........................................................................................ 31 9.1.1. Velocidad de eacción ...................................................................................... 31 9.1.2. Velocidad de di usión ...................................................................................... 32 9.1.3. Velocidad del en e de llama ........................................................................... 33 9.1.4. Fac o de mezcla .............................................................................................. 34 9.2. Tipos de llamas ........................................................................................................ 35 9.2.1. Llama en égimen lamina ................................................................................ 35 9.2.2. Llama en égimen u bulen o ............................................................................ 36 9.2.3. Llama de p emezcla ......................................................................................... 36 9.2.4. Llama de di usión ............................................................................................ 36 9.2.5. Llama de p emezcla pa cial .............................................................................. 36 10. Emisiones, esiduos y a amien os .............................................................................. 37 10.1. Ac i idades uen e de emisiones .......................................................................... 37 10.2. Emisiones a la a mós e a ...................................................................................... 37 4 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa 10.2.1. Óxidos de azu e .............................................................................................. 38 10.2.2. Óxidos de ni ógeno ......................................................................................... 39 10.2.3. Óxidos de ca bono ........................................................................................... 40 10.2.4. Pa ículas con aminan es .................................................................................. 41 10.2.5. Compues os o gánicos olá iles (VOC) ............................................................ 42 10.2.6. Compues os pelig osos ..................................................................................... 43 10.3. Residuos con aminan es líquidos .......................................................................... 43 10.3.1. Re ige ación del condensado ......................................................................... 44 10.3.2. Residuos de la manipulación de cenizas ........................................................... 44 10.3.3. Agua p oceden e de los pa ques de ca bón........................................................ 44 10.3.4. Agua de desul u ación húmeda......................................................................... 44 10.3.5. Agua p oceden e de la limpieza de supe icies de ans e encia de calo ........... 45 10.4. Residuos con aminan es sólidos ........................................................................... 45 11. P og amas ................................................................................................................... 46 11.1. Combus ible sólido .............................................................................................. 46 11.1.1. Funcionamien o ............................................................................................... 46 11.1.2. Limi aciones .................................................................................................... 47 11.2. Combus ible líquido ............................................................................................. 47 11.2.1. Funcionamien o .................................................................................................. 47 11.2.2. Limi aciones ....................................................................................................... 48 11.3. Combus ible gas .................................................................................................. 48 11.3.1. Funcionamien o .................................................................................................. 48 11.3.2. Limi aciones ....................................................................................................... 49 11.4. Análisis de O sa .................................................................................................. 49 11.4.1. Funcionamien o ............................................................................................... 50 11.5. Limi aciones gene ales ......................................................................................... 50 11.5.1 Teo icidad de los cálculos ..................................................................................... 50 11.5.2. Cálculo de p opiedades ........................................................................................ 51 11.6. Consejos gene ales de uso .................................................................................... 52 11.7. Posibles desa ollos u u os .................................................................................. 52 Bibliog a ía............................................................................................................................. 53 5 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa 1. Resumen El p esen e documen o es un T abajo de Fin de G ado que a a sob e la combus ión, esal ando los aspec os gene ales de es a eacción química desde el pun o de is a de su uso pa a la p oducción de po encia. Se abo dan, en un epaso eó ico, desde aspec os undamen ales, como p opiedades, elemen os in oluc ados en la combus ión y cálculos de pa áme os p incipales; has a algunas aplicaciones, ipos de combus ibles más comunes y emisiones. Finalmen e, el obje i o úl imo de es e abajo es la c eación de unas he amien as en Excel que pe mi an ealiza una se ie de cálculos elacionados con la combus ión que se de alla án en el apa ado 11, que incluyen los cálculos de i ados de un análisis de O sa ealizado sob e p oduc os de la combus ión. Todo ello de o ma au omá ica añadiendo una se ie de da os de pa ida del p oblema en cues ión. 2. In oducción La combus ión es un p oceso que se da en la na u aleza de o ma na u al, pe o su mayo in e és iene del ap o echamien o del se humano de es e enómeno desde los p incipios de la humanidad. Según los au o es D . Ing E. B izuela, D . Ing. S. D. Romano, en su lib o Combus ión (2003), el empleo de es a eacción de o ma in encionada es la base de nues a ci ilización y el g an uso que hacemos de es e p oceso de ob ención de ene gía supone la p incipal di e encia en e el homb e ac ual y el homb e p imi i o. Ac ualmen e el homb e consume dos ipos de ene gía en líneas gene ales, la eléc ica pa a la p oducción de bienes, y la química, pa a el anspo e y la gene ación de ene gía é mica. La can idad de ene gía consumida pe cápi a sigue di e enciando a los países más desa ollados de los menos. Po simplicidad se con abiliza la can idad de ene gía eléc ica consumida pe cápi a, ya que es de la que se ienen más da os de p oducción y es en su mayo ía, p oducida po p ocesos que in oluc an a la eacción de combus ión. Da os del 2012, publicados po la CIA en su Wo ld Fac book, si úan a Islandia (52.621 kWh/año habi an e) y No uega (24.558) a la cabeza del anking, mien as que es án al inal países como Ruanda (20), Sie a Leona (10), Chad (8) o A ganis án (8). Es a di e encia abismal no se debe solo al g ado de desa ollo, sino ambién a la al a de acceso a la elec icidad de los países menos desa ollados. So p ende un país como Kuwai (16.090) en la e ce a posición. 2.1. Obje i o y alcance Es e abajo iene como obje i o ealiza un análisis de la combus ión, desc ibiendo los ipos que hay, pa áme os que la ca ac e izan, aplicaciones, ipos de combus ibles, e c. Se a a cen a en el uso de es a eacción pa a la p oducción de g andes po encias indus iales, bien sea mecánica o eléc ica. Cabe des aca que es a segunda no deja de se una aplicación 12 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa oxígeno se open en e ellos más ácilmen e, a o eciendo la eacción. El exceso de oxígeno es una de las ca ac e ís icas cla e de una combus ión, an o que de ine el siguien e ipo de clasi icación. 4.3. Can idad de oxígeno la combus ión Se e ie e a la can idad de oxígeno p esen e en la a mós e a en la que se p oduce la combus ión. - Es equiomé ica: la can idad de oxígeno es la exac amen e necesa ia pa a oxida odo el combus ible. - Reduc o a o pob e: la can idad de oxígeno es meno de la necesa ia, po lo que la combus ión no se á comple a. En es as condiciones, a la mezcla ai e-combus ible se le conoce como mezcla ica en combus ible, o mezcla ica. - Oxidan e o en exceso: la can idad de oxígeno es mayo de la necesa ia, po lo que se a o ece que la combus ión sea comple a, ya que el combus ible iene más acilidad pa a encon a oxígeno con el que eacciona , aunque no iene po qué se necesa iamen e así. A la mezcla ai e-combus ible se le conoce en es e caso como mezcla pob e. 5. Pa áme os de la combus ión En es e apa ado se an a de ini algunos pa áme os que ca ac e izan las condiciones en las que se p oduce la combus ión y exp esan de di e sas o mas las can idades de p oduc os y eac i os que pa icipan en ella. 5.1. Pode combu í o o Es can idad de ai e seco pa a la combus ión comple a y es equiomé ica del combus ible. Depende de la can idad de oxígeno en el ai e, que de no es a en iquecido p esen a la composición a mos é ica, y de la can idad de oxígeno necesa ia pa a la eacción es equiomé ica. 5.2. Pode Fumígeno Es la can idad de gases p oducidos en la combus ión comple a y es equiomé ica de la unidad de masa del combus ible. Exis en dos pode es umígenos, el húmedo y el seco, dependiendo de si se con abiliza o no el apo . 5.3. Oxígeno eó ico (OT) o es equimé ico Es la can idad de oxígeno mínimo necesa io pa a eacciona con el combus ible de o ma comple a. Se calcula en unción de la composición del combus ible y las eacciones químicas básicas pa a pasa del es ado elemen al a su o ma oxidada. 13 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa Cuando se iene exp esada dicha composición en po cen aje en peso, el oxígeno eó ico se exp esa de la siguien e mane a: Es a ó mula iene de suma el oxígeno que eacciona con los dis in os elemen os p esen es en un combus ible, y es a el que e en ualmen e pudie a eni con el combus ible. Pa a ello hay que pasa de kg de cada elemen o a kmol, di idiendo po su peso a ómico o molecula . C 12 kg/kmol S 32 kg/kmol H  H2 2x1= 2 kg/kmol O  O2 2x16=32 kg/kmol A con inuación se de allan de dónde ienen los núme os de los subíndices. H2 + 1/2 O2 = H2O  2H2 + O2 = 2H2O Es o signi ica, que po cada kmol de H2 eacciona medio kmol de O2, o lo que es igual, cada dos kmol de hid ógeno molecula , se necesi a un kmol de oxígeno molecula . Si se ienen H kg de hid ógeno en un kg de combus ible, se end án H/2 kmol de hid ógeno dia ómico y H/4 pa es de kmol de hid ógeno en dicha masa de combus ible. Pa a hace eacciona a ese núme o de kmol de hid ógeno combinados de dos en dos, hacen al a o os H/4 kmol de oxígeno. De o ma simila ocu e con el azu e, pe o al se la eacción 1 a 1 es más simple: S + O2 = SO2 En S kg de azu e po kg de combus ible, se ienen S/32 kmol de azu e, cada uno de los cuales necesi a un kmol de oxígeno pa a eacciona , y po an o, S/32. El caso del ca bono es más singula ya que ienen luga dos eacciones. En el cálculo del OT solo se iene en cuen a la deseada, es deci , la comple a en la que se oxida a CO2, pe o ambién se p oduce la incomple a, en la que el p oduc o es CO. C + O2 = CO2 C + 1/2 O2 = CO Si conside amos solo la comple a, la can idad de kmol de oxígeno que eacciona con el ca bono es la misma que los kmol de ca bono que se ienen, pues la eacción es 1 a 1, po lo an o C/12. Sin emba go, si se quie e sabe cuán o oxígeno eacciona de e dad, en p incipio el cálculo es algo más complejo, ya que la can idad de oxígeno necesa io 14 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa pa a la combus ión depende de la can idad de ca bono que se oxide de o ma comple a o incomple a. En la p ác ica es o se sabe po un análisis de la composición de los humos de escape. Se suele emplea las le as a y b pa a e e i espec i amen e a los kg de C po cada kg de combus ible que eaccionan de o ma comple a e incomple a. De es a o ma se ienen a/12 y b/12 kmoles que eaccionan a dióxido y monóxido. Según las eacciones químicas, un kmol de ca bono que eacciona a CO2 necesi a un kmol de O2 pa a ello, luego con ibuye con a/12 kmol de O2 a la demanda de oxígeno. Po el con a io, 1 kmol de ca bono que eacciona a CO necesi a solo medio mol de oxígeno, con ibuyendo es a ez con b/24 kmol a la demanda de oxígeno. En base a lo an e io men e desc i o, la exp esión del O que en p incipio eacciona queda como sigue: Como se puede ap ecia apa ece un é mino nega i o, y es que si el combus ible ae consigo una de e minada masa de oxígeno que educe la demanda de kmol. Los kmol de oxígeno se calculan di idiendo po el peso molecula del O2, 32 kg/kmol. De ahí iene el é mino O/32. 5.4. Exceso de ai e (n) Es en po cen aje, la can idad de ai e en exceso sob e el eó ico. Sea el ai e in oducido AR, y AO el que ha á al a pa a ob ene una can idad de oxígeno igual a OT, se de ine n como: . De es a mane a se iene exp esado de o ma po cen ual, aunque ambién es habi ual que se ea en an o po uno. 5.5. Oxígeno in oducido (OI) Es el p oduc o del oxígeno eó ico po el exceso de ai e. Cabe des aca que, sabiendo el con enido en oxígeno del combu en e, en gene al el ai e a mos é ico, se puede habla indis in amen e de oxígeno o de ai e en los pa áme os que ienen que e con el oxígeno, como el OT, el OI, e c. 5.6. Volumen de humos secos ( s) Es la can idad de humos secos po kg de combus ible exp esados en unidad de olumen, no malmen e en Nm3 (me os cúbicos en condiciones no males). Se componen de los p oduc os de la eacción (CO, CO2, SO2) el oxígeno que no ha eaccionado y el ni ógeno in oducido con el combu en e. De o ma gene al ambién se end á ca bono inquemado, que se deno a po el símbolo CR, en o ma de pa ículas sólidas llamadas hollín. Al se un sólido no se con abiliza den o del olumen de gases, pe o se ha de ene en cuen a pa a e el oxígeno que no ha eaccionado. Los kmol de p oduc os se calculan ácilmen e a pa i de las eacciones que ya se han is o. En el caso de CO2 y SO2 se o man los mismos kmol de es as sus ancias como 15 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa kmol se consumen an o de C y S, como de O2. En el caso del CO, se o man el doble de kmol de monóxido que los kmol de oxígeno consumidos en su p oceso de o mación. Habiéndose es ablecido odas es as can idades, se iene: Respec o al oxígeno sin eacciona , es e p o iene de es uen es. La p ime a es odo el oxígeno po encima del es equimé ico que se ha in oducido, es deci que si se in oduce n·OT, y se supone que eacciona OT, el es an e se á (n-1)·OT. Po o o lado, es án las can idades de oxígeno que no han eaccionado como cab ía espe a , que son las debidas al CO y al ca bono inquemado, CR. En el caso del CO se sabe que necesi a medio kmol de oxígeno pa a eacciona con un kmol de C, mien as que en la eacción comple a se necesi aba uno en e o. De acue do a la eacción química es o supone que, si se han p oducido b/12 moles de CO, han eaccionado como ya se ha is o b/24 moles de O2, mien as que se han dejado de consumi o os an os moles de O2, que lo hab ían hecho de habe enido luga la combus ión comple a. Po lo an o, en el oxígeno que apa ece en los humos secos se iene un é mino b/24 que e ie e a lo desa ollado en es e pá a o. Po o o lado se iene la masa de ca bono sin quema , CR, que hab ía eaccionado de o ma ideal de igual mane a que el ca bono que lo hace a CO2, es deci , 1 a 1. Po lo an o han dejado de eacciona an os kmol de O2 como kmol de ca bono se engan en los CR kg de ca bono inquemado po kg de combus ible, es deci , CR/12. Po úl imo se iene al ni ógeno, que conside ando al combu en e ai e po de ec o, se encon a á en una p opo ción de 79/21 espec o del oxígeno o al in oducido, n·OT. Po an o se iene el é mino 79/21·n·OT. No malmen e se e i a el ene que coloca la acción y se esc ibe di ec amen e su esul ado, 3,76. La exp esión queda inalmen e así: Pa a exp esa lo en m3 en condiciones no males se mul iplica po el ac o 22,4 [Nm3/ kmol], quedando el esul ado as la ope ación exp esado en [Nm3/ kg de combus ible]. Den o de es e apa ado hay que eseña cómo se ealiza el cálculo del ca bono sin quema . És e es il ado del es o de los humos jun o con los es os de cenizas que pudie a habe , de mane a que de odo el esiduo sólido que se ob iene, solo una pa e es ca bono inquemado, siendo el es o ceniza olan e de la que enía con el combus ible, P. Pa a de e mina la can idad de ca bono en las cenizas, se ex ae una mues a y se quema en unas de e minadas condiciones. La pé dida de peso co esponde a la combus ión de dicho ca bono. 16 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa Si se conside a un kg de esiduo, una pa e, CR’, se á ca bono inquemado, y el es an e, (1- CR’), se án cenizas. Es o no se encuen a en la base de cálculo en la que se exp esan los demás pa áme os, el kg de combus ible, sino que ienen exp esados po kg de esiduo analizado. Pa a exp esa lo en la base deseada se hace la siguien e ope ación: 5.7. Volumen de humos húmedos ( h) El olumen de humos húmedos es la can idad de humos o ales que se ienen en la salida de un p oceso de combus ión y con abiliza, además de los humos secos del apa ado an e io , el apo de agua que se iene. Exis en di e sas uen es de es e apo : - Combus ión del hid ógeno: la oxidación del hid ógeno p oduce agua, y a las empe a u as a las que se p oducen, es a agua es á en es ado líquido. La can idad de hid ógeno po kg de combus ible es H, que en kmoles es H/2. Es a can idad de moles eacciona con oxígeno pa a da la misma can idad de kmol de H2O, luego se p oducen H/2 kmol de agua. - Humedad del combus ible: es a uen e es p opia de combus ibles sólidos y es á especialmen e p esen e en la biomasa, aunque se iene ambién en el ca bón y en algunos ca bones en g andes can idades como se e á en el apa ado 7.1.1. . Es a agua iene un e ec o nega i o, ya que al es a ya oxidada no libe a ninguna ene gía, sino que la abso be en su p oceso de e apo ación y sob ecalen amien o. La can idad de masa de agua po kg de combus ible se deno a po W, siendo el núme o de moles es a can idad en e el peso molecula del agua, es deci , W/18. - Humedad del ai e: el ai e a mos é ico con iene una cie a humedad que puede se de e minada median e dos p opiedades del mismo siendo una habi ualmen e la empe a u a de bulbo seco, que es la empe a u a habi ual con la que se suele abaja , y o a que puede se la humedad ela i a, la en alpía, la empe a u a de bulbo húmedo, e c. En ealidad son es a iables las necesa ias, pe o po de ec o la p esión es la a mos é ica y es p ác icamen e omada como una cons an e. La o ma de calcula la humedad exis en e es median e la p opiedad conocida como humedad absolu a (w), que se mide en g de agua po kg de ai e. Di idiendo po 1000 se iene di ec amen e en kg agua po kg de ai e, lo que es más ú il pa a el cálculo. Los kg de agua in oducida con el ai e se calculan como el p oduc o del ai e in oducido, po su humedad en kg, es deci : 17 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa Pa a exp esa lo en kmol, nue amen e se di ide po su peso molecula , 18. Con odo es o se puede calcula el olumen de humos húmedos: Pa a exp esa lo en Nm3 se usa el ac o ya mencionado de 22,4 Nm3/kmol. Cabe des aca , que si las condiciones no ue an las no males, se pod ía u iliza la ley de los gases ideales de la siguien e mane a: 6. P opiedades de combus ibles El combus ible es el elemen o undamen al que ca ac e iza la combus ión, pues el oxígeno es ac o común de odas es as eacciones, y el es o de sus ancias que componen el combu en e ienen una impo ancia meno dado que en su mayo ía es ni ógeno que po lo gene al no eacciona, o al menos se a a de que es o sea así. Dos de las p opiedades más impo an es son la composición y el es ado ísico. Apa e de es as hay muchas al y como indica en lib o Combus ión (2003) en su capí ulo 1.4 P opiedades de combus ibles, que son o as como iscosidad, densidad, pode calo í ico, lími e de in lamabilidad, empe a u a de ignición, empe a u a de combus ión o con enido en azu e. 6.1. Composición La composición es una p opiedad que de ine el conjun o de sus ancias que componen un combus ible y la p opo ción en la que se encuen an. Como ya se ha desc i o en el apa ado 3.1, la composición puede eni de inida de di e en es mane as, siendo en gene al unas u o as más ípicas según el es ado de ag egación. Po ejemplo, el uso de la acción en masa suele se más ípico de los combus ibles sólidos, ya que la masa es una p opiedad ácil de medi pa a combus ibles en es e es ado. Si hablamos de combus ibles gaseosos, es habi ual aco a su composición como una mezcla de gases, y po an o en acción olumé ica. Es o es así debido a que, dadas unas condiciones de composición y empe a u a igual pa a odos los gases que con o man la mezcla, odos ocupa án un olumen de o ma p opo cional a la can idad de moles de cada sus ancia que se ienen. Si los combus ibles son muy pu os, es deci , su composición se co esponde en su mayo ía a especies ácilmen e iden i icables como compues os o sus ancias, se puede usa la o mulación química pa a exp esa su con enido. 18 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa Es impo an e des aca que dada cualquie a de es as o mas, y sabiendo las condiciones de P y T, así como los pesos molecula es, se puede pasa de la o mulación química o la mezcla de gases a la composición en acción en peso. Po ejemplo, si se ienen una mezcla de gases, sabiendo P y T se pueden calcula los moles. Una ez calculados, mul iplicando cada mol de combus ible po el peso molecula de la sus ancia, se iene el combus ible en o ma de masa, po lo que solo hay que e los componen es que se ienen siguiendo la p opo ción del combus ible, en un kilog amo del mismo. De la misma mane a, un combus ible dado po su o mulación química se puede pasa a masa eniendo una unidad de olumen y la densidad en caso de un líquido, o las condiciones de P y T en el caso de un gas. Siguiendo un p oceso pa ecido al an e io median e el uso de pesos molecula es y eglas de es pa a man ene las p opo ciones, se puede ob ene la composición po acciones en peso po kg de combus ible. 6.2. Viscosidad La iscosidad es una p opiedad independien e de la can idad de ma e ia que es impo an e en líquidos. A mayo iscosidad, mayo esis encia p esen a un líquido a lui po un conduc o, p o ocando mayo es pé didas de ca ga y llegando al lími e de no pode hace se ci cula . Es a p opiedad pa a cada luido depende ue emen e de la empe a u a de dicho luido. 6.3. Densidad La densidad es una p opiedad no solo de los combus ibles, sino de odos los ma e iales, y nos da in o mación de cómo de espa cida en el espacio es á una de e minada masa de un ma e ial, es deci , cuan o olumen ocupa. Un ma e ial más denso, eniendo la misma masa y po lo an o peso que o o de meno densidad, ocupa un olumen meno . En el caso de los combus ibles es o se usa pa a líquidos y sólidos, ya que en los gases la densidad depende de las condiciones de almacenamien o, más conc e amen e de nue o de P y T. 6.4. Pode calo í ico El pode calo í ico es la can idad de ene gía libe ada du an e la combus ión de un combus ible po unidad de masa. Siendo es a ene gía el e ec o ú il, di ec o o indi ec o como se e á en el apa ado 8 de aplicaciones, se puede deci en líneas gene ales que cuan o mayo es el pode calo í ico mejo es el combus ible, aunque a la ho a de elegi en e uno u o o hay o os aspec os a alo a como los de ipo p ác ico o écnico y el económico. El pode calo í ico es una de las p opiedades p incipales de los combus ibles y depende ue emen e de la composición y de cómo es én unidos los á omos de los dis in os compues os, es deci , de su es uc u a molecula . Es o es de especial in e és en hid oca bu os, ya que dos sus ancias pueden ene la misma composición pe o es a sus elemen os es a ag upados de mane as dis in as. Es os son los llamados isóme os y, dado que no ienen la misma en alpía de o mación al habe enlaces dis in os, unos más ue es que o os, ampoco han de libe a la misma 19 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa can idad de ene gía en el conjun o de las eacciones que lle an a es os compues os has a las eacciones de combus ión básicas. Se puede de o ma gene al deci que cuan o más ue e sean los enlaces de las moléculas, más ene gía de ac i ación ha á al a pa a inicia la eacción de combus ión. Luego se iene que en un p oceso de combus ión con inuo, pa e de la ene gía libe ada po la combus ión se abso be en o ma de ene gía de ac i ación de un combus ible pos e io , po lo que de o ma e ec i a el calo ap o echable es meno . 6.5. Lími e de in lamabilidad Es la p opo ción en e que debe habe en e un combus ible y el oxígeno compa ible con el p oceso de combus ión. Si es a elación es muy baja, no hab á oxígeno su icien e, mien as que si es muy al a, lo que escasea á se á el combus ible. Den o de esos lími es es a eacción es posible. La siguien e abla mues a algunos ejemplos. Tabla 3: lími es de in lamabilidad. Combus ión (2003) 6.6. Tempe a u a de in lamación Es la mínima empe a u a a la que un combus ible a de en con ac o con ai e y una llama que apo a la ene gía de ac i ación. Es es as condiciones, si se e i a la llama, la combus ión se de iene. 20 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa 6.7. Tempe a u a de ignición Es la empe a u a mínima que es capaz de man ene la eacción de combus ión mien as haya apo e de oxígeno y combus ible. En oda eacción química hay una ene gía de ac i ación necesa ia pa a inicia la eacción po pequeña que sea. Es a empe a u a hace que no sea necesa io apo a la de o ma ex e na a la eacción, sino que el p opio calo desp endido po la combus ión si e de ene gía de ac i ación pa a eacciones pos e io es. Es e calo se encuen a almacenado en los gases de la a mós e a de la combus ión en o ma de empe a u a, siendo la mínima la mencionada empe a u a de ignición. 6.8. Tempe a u a de au oignición Es la empe a u a de un ma e ial po encima de la cual empieza a eacciona con el ai e en un p oceso de combus ión espon áneo, es deci , sin ninguna o a uen e de ene gía que apo e la ene gía de ac i ación. Es una empe a u a especí ica de cada ma e ial, o en es e caso más conc e amen e, del combus ible. 6.9. Tempe a u a adiabá ica Es la empe a u a máxima alcanzable en una a mós e a de combus ión. Es a empe a u a cons i uye un lími e eó ico de la empe a u a del hoga y supone que no hay ans e encia de calo en el mismo, solo calo que sale con los p oduc os de eacción. De es a o ma odo el calo p oducido po el combus ible se in ie e en aumen a la empe a u a de las masas de gases de dicha a mós e a de combus ión. Es una empe a u a que depende pues del combus ible y de los gases que se ob ienen como p oduc os de la combus ión. Se calcula po medio de un balance de ene gía en el hoga exp esado en las siguien es ecuaciones: A con inuación se pasa a desa olla cada uno de es os é minos: - El calo in oducido se debe a la en alpía que iene el ai e y el combus ible po es a a una cie a empe a u a: - El calo de salida es el que se escapa en los p oduc os de la eacción po es a ambién a una cie a empe a u a. En la exp esión an e io se puede exp esa : ) - Po su pa e el calo gene ado es la masa de combus ible mul iplicada po su pode calo í ico. 21 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa - El cálculo del calo ans e ido depende á de cada aplicación, aunque no es de in e és en es e apa ado, ya que se conside a nulo. Si se conside a la empe a u a de e e encia igual a la de en ada, se simpli ica la ecuación eliminando el é mino de la en ada, y además, dado que la ans e encia de calo es nula, la empe a u a del hoga se á cons an e e igual a la empe a u a adiabá ica. Es po an o que se conside a la empe a u a adiabá ica como una p opiedad del combus ible, ya que de su composición depende la empe a u a, el olumen, el PCI y el Cp medio en e las empe a u as de e e encia y adiabá ica, que es una ponde ación del calo especí ico de los gases que se ob ienen como p oduc o de la combus ión. No obs an e, posee ambién dependencia de la empe a u a de en ada y la de e e encia, que pa a pode usa la exp esión an e io han de se iguales. 6.10. Con enido en azu e El con enido en azu e es la can idad de azu e que posee un combus ible y se ex ae di ec amen e de la composición. Es ele an e pa a el cálculo de los p oduc os que se ob ienen como esul ado de la combus ión en p esencia de es e elemen o, cuyas ca ac e ís icas se e án en el apa ado 10.2 de con aminan es a mos é icos, y que equie en de un a amien o especial pa a minimiza su emisión o impac o en el medio ambien e. 7. Tipos de combus ibles En el apa ado 3.1 ya se de inió a los combus ibles. Según el lib o Combus ión (2003), hay di e sos ipos de combus ibles y se an a clasi ica a con inuación po amilias: - Combus ibles de o igen o gánico ege al: como la made a, ca bón de leña, biomasa en gene al ( esiduos ag ícolas, o es ales, esiduos sólidos), pol o de sus ancias o gánicas (ce eales, ha inas, se ín…) - Combus ibles de o igen ósil: ca bón mine al, pe óleo. El pe óleo es an ampliamen e u ilizado y posee al a iedad de combus ibles que me ece un g upo po sí solo. - Combus ibles de i ados del pe óleo: na as, gasolinas, gasóleos, que oseno, ueloil, alcoholes, gas licuado del pe óleo, políme os… - Combus ibles gaseosos: gas na u al, gas licuado del pe óleo, gas de agua, políme os… - O as sus ancias combus ibles: exis en algunos más exó icos como me ales (magnesio, i anio, aluminio) y no me ales (bo o). 28 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa 7.2.3. P opiedades ele an es en los combus ibles líquidos A la ho a de a a con es os combus ibles se usan p opiedades ya is as en el apa ado 6, como el pode calo í ico, o la iscosidad. Es a úl ima es de especial ele ancia en es os combus ibles, ya que al igual que los gases son luidos, pe o en e caso mucho más iscosos, y en mul i ud de aplicaciones son conducidos po ube ías, donde es a p opiedad es de e minan e pa a calcula la can idad de ene gía que se equie e pa a ello. La densidad elaciona la masa del combus ible con el olumen que ocupa, po lo que es asimismo o a ca ac e ís ica de g an uso, ya que es os combus ibles se almacenan en olumen, pe o muchas p opiedades, como el pode calo í ico, ienen e e idas a la masa. De igual mane a, pa a las eacciones que ienen luga du an e la combus ión se u ilizan can idades de ma e ia pa a el cálculo, po lo que elaciona masa y olumen es undamen al. O as p opiedades se uel en ele an es en es e es ado. Es el caso del pun o de congelación, del cual no iene sen ido habla pa a sólidos, ya que ya se encuen an en ese es ado, y en gene al ampoco en gaseosos, ya que las condiciones pa a que es os combus ibles se congelen son muy ex emas. No obs an e, en algunas aplicaciones muy especí icas, como pueden se las espaciales, si adquie e impo ancia es a p opiedad en combus ibles gaseosos. En los combus ibles líquidos sí es de ele ancia el pun o de congelación, ya que al es a en es ado líquido es p openso a congela se a empe a u as que se pueden da en el ex e io y puede causa p oblemas. 7.3. Combus ibles gaseosos: gas na u al y gas licuado del pe óleo Se conside an den o de es e apa ado los que p esen an un es ado gaseoso en condiciones de p esión y empe a u a ambien es, aunque muchos de ellos se suelen almacena licuados. 7.3.1. Tipos de combus ibles gaseosos Los dos gases más u ilizados como combus ibles son el GLP y el gas na u al. 7.3.1.1. GLP o gas licuado del pe óleo El GLP es una mezcla de hid oca bu os lige os que p o ienen del pe óleo y que se encuen an en es ado gaseoso en condiciones de p esión y empe a u a ambien es. También pueden se ob enidos po a amien os del gas na u al. En gene al las cadenas de hid oca bu os básicas que se ienen son bas an e más simples que en el caso de los hid oca bu os líquidos. Es e hecho es á elacionado ín imamen e con que sean más olá iles, ya que al se su más co a y po an o, con meno peso molecula y núme o de enlaces, se equie e menos ene gía en la e apo ación. Los más habi uales se pueden clasi ica en los siguien es g upos: - G upo C3: es án o mados po mezclas de hid oca bu os de es á omos de ca bono po cadena, siendo de las más comunes el p opano, el p openo y el p opileno. - G upo C4: es án o mados po mezclas de hid oca bu os de 4 á omos de ca bono po cadena, siendo las más comunes el bu ano, el bu eno y el bu ileno. - Mezcla de C3 y C4 en cualquie p opo ción. 29 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa 7.3.1.2. Gas na u al El gas na u al es un combus ible de ipo ósil que se almacena en bolsas en el subsuelo bien de o ma independien e, lo que se conoce como gas lib e, o bien de mane a anexa a yacimien os de pe óleo o ca bón. Su composición es p incipalmen e me ano (CH4) en un ango de 79-97 % en olumen, además de o os gases en mucha meno can idad como e ano, p opano, bu ano, ni ógeno o dióxido de ca bono; e impu ezas como agua, de i ados del azu e, e c. Es á conside ado el combus ible de ipo ósil con meno impac o ambien al de odos, ya que apenas iene elemen os que no sean ca bono e hid ógeno, po lo que se puede conside a que solo emi e como p oduc os de la combus ión CO2 y H2O, y al es a o mado en su mayo ía po la cadena de hid oca bu os más co a posible, el me ano, emi e menos dióxido de ca bono po MJ de calo que p oduce en la combus ión, ya que g an pa e del pode calo í ico p o iene de la combus ión del hid ógeno, cuyo p oduc o es agua. Empleando el p og ama de cálculo pa a combus ibles gaseosos, un gas na u al con 95% de me ano y 5% de e ano, p oduci ía 0.055 kg CO2 po MJ de calo gene ado, mien as que un gas con 95% de bu ano y 5% de e ano, pa ecido al que se usa domés icamen e, p oduci ía 0.066 kg CO2 po MJ, un 20% más. Tiene amplio ango de aplicaciones, como cale acción en calde as, p oducción de ene gía en cen ales de ciclos combinados, y algunas más mode nas como el gas na u al ehicula que se usa en el sec o del anspo e o la pila de combus ible pa a la gene ación de ene gía eléc ica en coche de hid ógeno. 7.3.2. P opiedades de los gases Pa a los gases se usan ambién p opiedades comunes a odos los combus ibles como el PC o la composición, que lo ca ac e iza como uno u o o gas. Apa e de és as, dos de las más impo an es son la empe a u a y la p esión, ya que de e minan la densidad, que al igual que los líquidos nos indicaba la can idad de masa que se enía con un de e minado olumen de luido almacenado. Po an o, pa a habla de un olumen de gas y que exp ese de o ma uní oca una can idad de masa, como ya se ha comen ado en apa ados an e io es, se suelen usa las condiciones no males. De es a o ma se pueden e e i p opiedades ex ensi as, las que dependen de la can idad de ma e ia, a la unidad olumé ica de e e encia, que es la que ísicamen e se maneja al asega un gas. 8. Aplicaciones más des acables y equipos La combus ión iene aplicaciones muy ex ensas, desde las más básicas, como su uso en chimeneas pa a cale acción, como di e sas aplicaciones indus iales. En los siguien es subapa ados se desc iben algunas de ellas. 30 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa 8.1. Quemado es de gas Son un ipo de quemado es en los que el gas combus ible suele lle a su p opio ai e, y en gene al son llamas llamadas de p emezcla. Se usa, po ejemplo, en las calde as mu ales de p oducción de ACS, comúnmen e conocidas como e mos a os de agua calien e. 8.2. Mo o de combus ión in e na con ciclo O o Son los mo o es de gasolina de combus ión in e na al e na i os de los au omó iles. En ellos se inyec a combus ible líquido pul e izado a una masa de ai e comp imido. El aumen o de empe a u a p o ocado po la combus ión en un ecin o con inado, p o oca una expansión de los p oduc os de la eacción, cuya ue za sob e un pis ón es ap o echada pa a p oduci un abajo mecánico. 8.3. Mo o Diesel Es el o o ipo undamen al de los mo o es de combus ión in e na al e na i os, conocidos así po el ciclo Diesel que emplean. És os u ilizan un combus ible más pesado, el gasóleo, po lo que debe i p emezclado con ai e pa a asegu a su co ec a e apo ación. Es a mezcla es la que se comp ime y pos e io men e se hace combus iona , p o ocando el mismo e ec o que en los mo o es de ciclo O o, ob eniéndose igualmen e un abajo en la expansión. Gua dan muchas simili udes y ambién muchas di e encias que se alejan del obje i o de es e abajo. 8.4. Tu bina de gas Es un u bo mo o de combus ión ex e na que se usa pa a la p oducción de ene gía mecánica, p incipalmen e pa a la p opulsión, bien sea de buques o ae ona es, y pa a la gene ación de elec icidad. Es á o mado en su concepción más simple po un comp eso , una u bina y una cáma a de. El comp eso , mo ido con pa e del abajo ob enido de la u bina, comp ime el ai e, que pasa a la cáma a de combus ión donde se inyec a el combus ible y se ele a su empe a u a. La masa de gases p o enien es de la combus ión, a al a empe a u a y p esión, se hace ci cula po la u bina, la cual abso be g an pa e de su ene gía y gi a a g an elocidad, ob eniéndose así po encia en el eje de la u bina. 8.5. Ho nos indus iales Un ho no es un equipo en cuyo in e io se p oduce una combus ión pa a ap o echa la ene gía libe ada y ans e i la al p oduc o, el cual ambién se encuen a en el in e io de dicho ho no. Se di e encia de las calde as en que en las calde as no se calien a un p oduc o, sino un luido in e medio. 8.6. Calde as de apo de ca bón pul e izado En las calde as, como se ha mencionado, se calien a un luido in e medio que no es el p oduc o inal que que emos ob ene de nues o p oceso indus ial. Una de las más ep esen a i as den o del sec o indus ial es la calde a de apo , siendo la más común la que usa ca bón pul e izado como combus ible. Es á cons i uida po una se ie de equipos dedicados al in e cambio de calo en e los p oduc os de la combus ión del ca bón pul e izado, que se p oduce en su in e io , y el luido de abajo, en 31 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa es e caso agua- apo . El apo p oducido en es as calde as se usa gene almen e pa a mo e una u bina de apo pa a la p oducción de ene gía eléc ica. Es po an o obje o de es e abajo, y en apa ados pos e io es se analiza á en más de alle el endimien o de es os equipos. 9. Llamas La llama es la egión del espacio en una a mós e a de combus ión donde se p oduce la eacción, sepa ando a un lado los eac i os y a o o los p oduc os. Se ca ac e iza po ene luminosidad y colo es b illan es como consecuencia de la ene gía desp endida en dicha eacción. 9.1. P opiedades de las llamas Las llamas p esen an una se ie de magni udes y ca ac e ís icas que p o ocan e ec os impo an es en ellas, has a el pun o de hace que la llama sea de uno u o o ipo. Algunas de dichas magni udes se an a e en los siguien es apa ados. 9.1.1. Velocidad de eacción La elocidad de eacción es una ama del es udio de la ciné ica química que a a de de e mina el iempo en desa olla se una eacción química, en es e caso la combus ión, desde el momen o en que es a se inicia. Se ige po la Ecuación de A henius, y depende de: - Las concen aciones de los pa icipan es en la eacción, en es e caso, del combus ible (CCB) y el oxígeno (CO2). - Los ó denes pa ciales (α y β) que son los exponen es a los que an ele ados las concen aciones y que en gene al no coinciden con los coe icien es es equiomé icos. Es o es debido a que la mayo ía de las eacciones anscu en en a ias e apas, po lo que sí son iguales en las eacciones elemen ales o de 1 e apa. - La ene gía de la ac i ación, Ea que se mide en unidad de ene gía po mol de sus ancia. Como es na u al, mien as mayo sea la ene gía necesa ia pa a comenza una eacción, más di ícil se á que una eacción comience, y po lo an o meno se á su elocidad de eacción. Es o se exp esa ma emá icamen e en que el é mino exponencial se á cada ez más pequeño. - La empe a u a absolu a (T) en K y la cons an e R uni e sal, 8.31445 JK-1mol-1, o lo que es lo mismo, una empe a u a al a aumen a la elocidad de agi ación de los á omos, po lo que hab á más colisiones y a o ece á una eacción ápida, aumen ando su elocidad. - El coe icien e A0, que mide la ecuencia de colisiones. Según la eo ía de colisiones, la eacción en e dos á omos se p oduce as un choque de dos sus ancias eac i as, po lo que mien as mayo sea es e núme o, mayo se á la elocidad de la eacción. La ecuación es: 32 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa A con inuación se mues a una abla con los alo es de algunos pa áme os de es a ecuación pa a cie os combus ibles. Fuel A0 (mol/cm3)^1- a·b/s Ea (J/mol) a b CH4 8.30E+05 7166.75 (30 kcal) -0.3 1.3 C2H6 1.1E+12 7166.75 0.1 1.65 C3H8 8.6E+12 7166.75 0.1 1.65 C4H10 7.4E+12 7166.75 0.15 1.6 C5H12 6.4E+12 7166.75 0.25 1.5 C6H14 5.7E+12 7166.75 0.25 1.5 C7H16 5.1E+12 7166.75 0.25 1.5 C8H18 4.6E+12 7166.75 0.25 1.5 C9H20 4.2E+12 7166.75 0.25 1.5 Tabla 6: Coe icien es de la ecuación de la elocidad de eacción de dis in os combus ibles. Gene ación de ene gía é mica. Lección 2: Concep os básicos sob e combus ión. Depa amen o de Te mo ecnia. Uni e sidad de Se illa 9.1.2. Velocidad de di usión La di usión es un mo imien o de pa ículas de una sus ancia en un medio en el que inicialmen e no se encon aba. Aplicada a gases es la dispe sión g adual de un gas en el seno de o o. En es e p oceso ísico aumen a la en opía, po lo que es un p oceso que se da de o ma espon ánea. Aplicado a la combus ión, la elocidad de di usión es la elocidad con la que se p opagan y mezclan el combus ible en el combu en e, que se encuen a en mayo can idad. En 1829, el químico escocés Thomas G aham es ableció que las elocidades de di usión de los gases son in e samen e p opo cionales a las aíces cuad adas de las densidades de dichos gases. Es deci , que a mayo densidad de un gas, meno elocidad de di usión. Pos e io men e, en 1860, el mismo G aham demos ó que la elocidad de di usión de una sus ancia e a in e samen e p opo cional a la aíz de la masa mola de la sus ancia, luego sus ancias más pesadas a dan más en di undi se, y su combus ión, con ando el p oceso de di usión, es más len a. 33 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa Con iene no a que, dados dos gases en las mismas condiciones de p esión y empe a u a, un mol de cada sus ancia ocupa á el mismo olumen. Si una sus ancia iene un peso molecula mayo que la o a, un mol de dicha sus ancia end á una mayo masa, y po lo an o ese gas end á una mayo densidad. Es po an o que, como ya ad i ió G aham, habla de peso molecula o densidad es equi alen e. 9.1.3. Velocidad del en e de llama El en e de llama es la zona del espacio donde se p oduce la eacción de combus ión y que con o ma la llama. La elocidad del en e de llama es la elocidad a la cual es a egión se a desplazando desde la zona de eac i os hacia la zona de p oduc os. Pa a ilus a más cla amen e es e concep o, se a a conside a un ubo lleno de combus ible y combu en e, abie o po ambos ex emos, donde comienza una combus ión en uno de ellos. Ilus ación 1: Tubo con combus ible y combu en e. Velocidad del en e de llama T anscu ido y cie o lapso de iempo, la llama se hab á desplazado hacia el o o ex emo, dejando a su paso p oduc os de la eacción. La elocidad a la que la llama se desplaza es lo que se conoce como elocidad de llama. Su exp esión iene dada po la ecuación: De donde: PC: pode calo í ico : elocidad media de eacción K: cons an e que exp esa la as e encia de calo necesa ia pa a llega de la T inicial a la T de in lamación. ρ: densidad de la mezcla de gases : calo especí ico a p esión cons an e. Tinicial: empe a u a inicial de la mezcla de gases 34 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa Tadiabá ica: como ya se io en el apa ado 6.10. , la empe a u a adiabá ica es la máxima alcanzable en el hoga , que es la que se p oduce pa a un de e minado combus ible y unas empe a u as de en ada y de e e encia, cuando el calo ans e ido es nulo. Sin desa olla mucho los concep os se puede e que la elocidad del en e de llama es p opo cional al calo que se p oduce en la eacción po medio del PC, a la ce canía a la T de in lamación po medio del ac o k, a la elocidad de eacción media. Po o o lado, la llama se p opaga á más despacio cuan o mayo sea la densidad de la mezcla al habe más masa en el olumen, cuan o más calo se abso ba en esa masa, y cuan o más lejos es e la empe a u a inicial de la adiabá ica. A con inuación se mues a una abla con ejemplos de elocidades de llamas pa a dis in os combus ibles combinados con ai e. Mezcla gaseosa Velocidad de llama máxima (cm/s) Me ano-ai e 45 E ano- ai e 48 P opano-ai e 46 n-Hep ano-ai e 43 Ace ileno-ai e 160 E ileno-ai e 79 Benceno-ai e 45 Hexano-ai e 4 Hid ógeno-ai e 350 Me ano-oxígeno 450 Ace ileno-oxígeno 1140 Hid ógeno-oxígeno 1400 Tabla 7: elocidades de llama máximas de gases pu os a 1 a m y 298K. Gene ación de Ene gía Té mica. Lección 2: Concep os básicos sob e la Combus ión. G upo de Te mo ecnia- Dp o. Ingenie ía Ene gé ica. Uni e sidad de Se illa 9.1.4. Fac o de mezcla Es un ac o adimensional no ado con la le a , que se ob iene de ealiza a ias simpli icaciones a las ecuaciones de conse ación en 1 dimensión de la ene gía, la masa y la can idad de mo imien o. Es una unción de cada pun o del hoga en unción de la composición, y, siendo s el OT, su exp esión es la siguien e: 35 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa Pa a una llama de di usión pu a, no hab á combus ible en el combu en e, ni combu en e en el combus ible. En es e caso, es e ac o se encuen a en e 0 y 1 po de inición, siendo 0 pa a una egión en la que solo exis e combu en e, y aliendo la unidad en una egión donde solo hay combus ible. Si además el combu en e es ai e, en el combu en e es 0.23, la acción másica del oxígeno en el ai e a mos é ico. Es a unción alcanza un alo conc e o en la llama, el alo es equimé ico o . Es deci , odo luga del hoga cuya composición haga que es a unción alcance el alo es equimé ico pe enece a la llama. En es os pun os, al mezcla se el combus ible y el oxígeno y eacciona , ambos alo es son ce o, po lo que su exp esión es: 9.2. Tipos de llamas Las llamas se pueden clasi ica según el égimen sea lamina o u bulen o, o po o o lado, según el combus ible y el combu en e es én mezclados o no an es de se añadidos al p oceso de combus ión. El égimen iene de e minado po el núme o adimensional de Reynold (Re), y ca ac e iza muchas p opiedades luidodinámicas. El Re elaciona la densidad, la elocidad, una dimensión ca ac e ís ica de longi ud y la iscosidad. Es ablece una compa ación en e la in luencia de las ue zas iscosas y con ec i as de la ecuación gene al que gobie na el mo imien o de los luidos, la de Na ie -S okes. Según es o, un Re de 1000 indica que las ue zas con ec i as son 1000 eces mayo es que las iscosas. De la misma mane a ambién di e encia en e égimen lamina y u bulen o, cuya on e a se encuen a en un Re ap oximadamen e igual a 2000. 9.2.1. Llama en égimen lamina Como ya se ha mencionado, el égimen lamina se p esen a en luidos con un Re ap oximadamen e meno que 2000. El égimen lamina se ca ac e iza po lujo o denado de un luido, donde las pa ículas luidas siguen caminos pa alelos, llamados líneas de co ien e. Al ene un Re bajo es o ambién implica g an in luencia de las ue zas iscosas. Las llamas en es e égimen son ca ac e ís icas den quemado es pequeños, como pueden se los quemado es de una calde a mu al en un equipo de p oducción de ACS domés ico. 36 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa 9.2.2. Llama en égimen u bulen o El égimen u bulen o se dan en luidos cuyos Re son mayo es de 2000, pe o no inmedia amen e mayo es, sino del o den de 3000. En e ambos núme os se iene lo que se denomina égimen de ansición, que no es cla amen e uno u o o, sino una mezcla de ambos. Bajo es e égimen, el luido sigue un lujo deso denado y caó ico, en el cual las líneas de co ien e ya no son pa alelas como en el égimen lamina , sino que se mezclan y en ec uzan. Es as llamas son ípicas de las combus iones de la inmensa mayo ía de los p ocesos indus iales. De las aplicaciones esal adas en el apa ado 8, odas menos la p ime a, se p oducen en condiciones de égimen u bulen o. 9.2.3. Llama de p emezcla En es e ipo de llamas el combus ible y el combu en e es án comple amen e mezclados an es de llega a la zona donde se p oduce la combus ión. En es as condiciones, la elocidad de la llama es á de e minada po la elocidad de eacción. La longi ud de la llama depende de conjun amen e de la elocidad de la eacción o de la llama, y de la elocidad con la que se añade el combus ible. Dado que la elocidad de la llama es cons an e, si la elocidad de adición de combus ible p emezclado es la misma, la longi ud de la llama se á cons an e. De o a mane a, la llama se i á ace cando al o i icio del quemado si la elocidad de la llama es mayo , o alejando si es supe io . 9.2.4. Llama de di usión En es e ipo de llamas, el combus ible y el combu en e han sido in oducidos po sepa ado, po lo que han de mezcla se y alcanza los lími es de in lamabilidad en un p oceso de di usión an es de p oduci se la combus ión. Una ez me que es o se p oduce, la eacción se p oduci á a elocidad de la eacción, la cual sigue leyes de elocidad p opias de la ciné ica química. Dado que la elocidad con la que se p oduce la di usión es a ios ó denes de magni ud mayo que la elocidad de eacción, se puede deci que el p oceso p ác icamen e es á de e minado po la elocidad de di usión, es deci , que es la elocidad con olan e. Es po an o que la es uc u a de la llama ambién es á con olada po es e enómeno p e io a la eacción. 9.2.5. Llama de p emezcla pa cial Exis e un g upo de llamas en las que pa e del combu en e con iene combus ible p emezclado, mien as que o a pa e no. En es as condiciones se ienen dos en e de llama, uno de p emezcla y o o de di usión, y se usan en aplicaciones en las que se busca un con ol más lexible de la o ma y el amaño de la llama median e la a iación de la acción del ai e que se p emezcla con el combus ible, el ai e p ima io. 37 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa 10. Emisiones, esiduos y a amien os Has a es e pun o se ha abo dado la combus ión desde la isión de las aplicaciones y ca ac e ís icas de odos los elemen os in oluc ados en ella que apo an algo posi i o en su uso. En es e apa ado se a a a a el aspec o nega i o de la eacción más ampliamen e u ilizada en la his o ia de la humanidad, las emisiones y los esiduos, además de posibles a amien os pa a educi ambos. De la misma mane a que se ha hablado du an e odo el abajo de p ocesos de combus ión causados po el homb e, ambién se an a a a los con aminan es de o igen an opogénico a causa de dichos p ocesos. No obs an e exis en con aminan es que se emi en de o ma na u al, como en el caso de las e upciones de los olcanes. Po se conside ada uno de los combus ibles más con aminan es, es e apa ado se a a cen a en a a las emisiones y esiduos de i ados de la combus ión del ca bón. Se menciona án po encima aquellas que, siendo del ca bón, puedan cons i ui ambién emisiones de o os combus ibles que se usen en o as ecnologías. Las emisiones de la combus ión no son más que los ci ados p oduc os de la combus ión que son libe ados a la a mós e a en gene al como gases o pa ículas sólidas de muy pequeño amaño y que lo an en el ai e, mien as se suele e e i a esiduos cuando se habla de líquidos o sólidos. 10.1. Ac i idades uen e de emisiones Según el ipo de ac i idad, podemos clasi ica las uen es de emisiones en es g upos. - Es aciona ias: se encuen as ijas en una localización. Son gene almen e las plan as de p oducción de po encia y las emisiones de p ocesos indus iales que se desca gan po chimeneas. - Mó iles: debidas a ac i idades asociadas al anspo e. - Fugas: son p oducidas po desca gas al medio ambien e desde ál ulas, cie es y o os elemen os que no incluyen disposi i os de desca gas, como chimeneas en el caso de gases o emisa ios subma inos en el caso de líquidos, y cuyo compo amien o no es el deseado. Den o de es e ipo puedes se es aciona ias o mó iles. 10.2. Emisiones a la a mós e a Las emisiones a la a mós e a son un conjun o de sus ancias que al e an la composición na u al de la a mós e a con su p esencia, pudiendo es a és as en cualquie es ado y siendo en gene al de ca ác e noci o. Gene almen e el gaseoso es el más abundan e. Las emisiones gaseosas son una se ie de sus ancias que se ie en a la a mós e a en es ado gaseoso como esul ado de la eacción de combus ión. Es as emisiones son pe niciosas, bien sea po que son sus ancias que no suelen encon a se en la composición de la a mós e a en g andes can idades, o po que aunque sí lo hagan y en sí mismas no sean noci as, su masi a acumulación es é p o ocando e ec os ad e sos en el medio ambien e. Po o o lado exis e o o ipo de con aminan e, las pa ículas, que si bien son sólidos o líquidos, ambién cons i uyen po su 44 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa ipo de desechos cabe des aca a los gene ado es de apo de las u binas, ya que al abaja con agua, p oducen una mayo can idad de es os esiduos. Es po eso que es e apa ado se a a cen a en los con aminan es de dichos gene ado es. No se an a conside a a amien os den o del alcance de es e apa ado. El a amien o de líquidos esiduales de una plan a suele da se en bien po ges o es au o izados, o bien en unidades de la plan a di e en es de la de gene ación de ene gía é mica. 10.3.1. Re ige ación del condensado El condensado es el equipo que se u iliza pa a condensa el apo a la salida de una u bina. Cuando el condensado es e ige ado po agua, que es en la mayo ía de los casos, es e agua de e ige ación se e apo a pa cialmen e en las o es de e ige ación pa a p oduci un en iamien o e apo a i o. Las sales y o os sólidos disuel os o suspendidos en el agua no se e apo an, quedando en el agua sin e apo a y aumen ando su concen ación con el iempo. Es po eso que se ha de pu ga dicha agua ica en es as impu ezas y añadi agua con meno con enido en ellas pa a e i a su concen ación en el sis ema. El agua que se ha sang ado en la pu ga cons i uye un esiduo líquido. Po o o lado, el agua que se usa pa a e ige a iene un al o con enido en clo o pa a e i a las inclusiones en los ubos. El clo o es una sus ancia muy óxica pa a los o ganismos i os, que en can idades su icien es puede se pelig osa. Es po es o que es a agua no puede se e ida sin se a ada. 10.3.2. Residuos de la manipulación de cenizas Como se e á en el apa ado 10.4. , las cenizas cons i uyen uno de los p incipales esiduos de p ocesos de combus ión, p incipalmen e en la combus ión de ca bones y ueles. En muchos sis emas, las cenizas son emo idas de los sis emas de cap ación con agua, las cuales quedan con aminadas po sus ancias como óxidos y sales de me ales, compues os o ganome álicos, ca bono, e c. Es po es a azón que cons i uyen un esiduo. 10.3.3. Agua p oceden e de los pa ques de ca bón El ca bón se suele almacena al ai e lib e sin excesi a p o ección. Es po eso que cuando llue e, el agua en a en con ac o con el ca bón, p oduciéndose unas eacciones de mane a conjun a con el oxígeno del ai e que conduce a la con aminación de es a agua con sul a os de ipo e oso y ácido sul ú ico. 10.3.4. Agua de desul u ación húmeda El agua p oceden e del p oceso de desul u ación húmeda, desc i o en el apa ado 10.2.1. , con iene el eac i o básico disuel o en una solución acuosa, así como los sul a os p oducidos en po la eacción de los SO4, po lo que cons i uye un esiduo líquido que ha de se a ado. 45 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa En el sis ema se a inyec ando la disolución básica, que a base de eacciona con el SO4, se a acumulando sul a os, de mane a que, si no se a pu gando, se acumulan en el sis ema. Es a co ien e de pu ga o sang ado es la que se ha de a a pos e io men e como un esiduo. 10.3.5. Agua p oceden e de la limpieza de supe icies de ans e encia de calo Son los esiduos acuosos p oceden es de la limpieza de las supe icies de ans e encia de calo , que en un gene ado de apo son las pa edes de ubos. Si la limpieza no es de ipo química, el agua esidual con end á los mismos me ales con aminan es de las cenizas, y la composición del esiduo acuoso se á la de los esiduos de la zona del gene ado que se haya limpiado. Po o o lado es a limpieza puede se química, con agen es químicos que ayudan a la desinc us ación de los esiduos sólidos que quedan en dichas supe icies. En es e caso no solo las cenizas y demás sólidos a elimina con aminan el líquido, sino ambién las sus ancias que se usan como disol en es. Po úl imo, ambién se conside an den o de es e g upo el agua p oceden e del sang ado del calde ín, que con iene una al a concen ación en sales e impu ezas que se desp enden del agua al e apo a se. 10.4. Residuos con aminan es sólidos Den o de es a sección se conside an dos g upos undamen ales, las cenizas de ondo, y odas las pa ículas que se eliminan de la co ien e gaseosa po lo mé odos desc i os en el apa ado 10.2.4. , incluidas las cenizas olan es. Las cenizas de ondo son la acción ino gánica de un combus ible en gene al que se aglome an en un amaño que no pe mi e su lo abilidad y po lo an o, se quedan en el ondo del ho no. De odas las cenizas es impo an e conoce , no solo su can idad, sino ambién su composición pa a pode p edeci los posibles p oblemas elacionados con la exis encia de enómenos de co osión, e osión, deposición y esco i icación. La composición de las cenizas se exp esa en su con enido en óxidos, ya que pe mi e exp esa odos sus elemen os, que es án p esen es en mul i ud de compues os (sales, óxidos, ácidos, compues os o gánicos asociados…), como un solo compues o. Los p incipales son: Po o o lado enemos las pa ículas sepa adas de la co ien e gaseosa, que p o ienen de los sepa ado es mecánicos o elec os á icos desc i os en el apa ado 10.2.4. , y que es án cons i uidas po cenizas olan es, ca bono inquemado. De mane a adicional se end án sul a os en o ma de pa ículas sólidas si se iene a amien o de desul u ación y és e se p oduce en o es de limpieza en seco, gene ado pa ículas sólidas en la co ien e de gas que igualmen e an a los sis emas de sepa ación de pa ículas. 46 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa 11. P og amas Es e apa ado a a expone una se ie de p og amas desa ollados en Excel en lenguaje VBA que si an como una he amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos, empleando combus ibles sólidos, líquidos y gaseosos. También incluye un p og ama de cálculo a a és de los da os ob enidos en un análisis de O sa de p oduc os de la combus ión. En ellos, a a és de una se ie de da os que hay que i in oduciendo a medida que se ejecu a el p og ama, y median e unos bo ones dispues os en cada hoja, se ealizan cálculos ela i os a la combus ión. Los da os son mos ados de mane a abula y algunas g á icas. Es os p og amas si en pa a ob ene de o ma au omá ica y sencilla a iables de g an in e és en p ocesos de combus ión, y pueden se i an o como un p ime cálculo en si uaciones p ác icas, como pa a el ámbi o académico. De en e sus en ajas se puede des aca que con una pequeña can idad de en adas, ob enemos bas an es da os de o ma muy isual, an o en ablas como g á icas. Además los p og amas son sencillos de u iliza si se siguen unas ecomendaciones gene ales de las que se habla án en el apa ado 11.5, g acias a la ayuda de bo ones que ejecu an las u inas co espondien es y a unos cuad os de ex o que con ienen la in o mación necesa ia pa a comp ende el uncionamien o de los mismos. 11.1. Combus ible sólido Es e p og ama es á pensado pa a ca bón, ya que los componen es a in oduci son los mayo i a ios en es e combus ible sólido. No obs an e, dado que en es e caso solo se conside a la combus ión pe ec a, si se iene la composición elemen al de o o combus ible sólido, ambién se pod á u iliza . Realiza la mayo ía de sus cálculos u ilizando como base 1 kg de sus ancia sólida. 11.1.1. Funcionamien o Es e apa ado desc ibe el p oceso a segui en es e p og ama de o ma secuencial, los da os de salida y de en ada que se equie en. Es a in o mación ambién apa ece en los cuad os guía. T as pulsa el bo ón inicio, hay que in oduci la composición del combus ible en po cen aje en peso. El p og ama da la opción de in oduci es os da os en base seca o en base húmeda, pa a lo cual hab á que selecciona p e iamen e la opción co espondien e. Cada bo ón de cada hoja despliega una se ie de da os. El p ime bo ón en da da os es Ai e Teó ico. P esen a una abla con los pode es calo í icos in e io y supe io , y el oxígeno y ai e eó icos. El siguien e da o que hay que in oduci es el exceso de ai e en an o po cien o sob e el eó ico. En es e caso, end á que se posi i o, pues no se con empla el de ec o de oxígeno. Una ez in oducido el exceso de ai e, el bo ón Ai e In oducido calcula el oxígeno, ni ógeno y ai e seco in oducidos. 47 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa Pos e io men e el p og ama pide la empe a u a del ai e de combus ión, que en muchos casos se co esponde á con la ambien e, y la humedad ela i a ambien e. El bo ón Humedad calcula la humedad con enida en el ai e que se a a emplea en la combus ión. Es a humedad o ma á pa e de los p oduc os de la combus ión en o ma de apo , con ibuyendo con masa y en alpía de una o ma nada desdeñable. A con inuación se puede pulsa el bo ón p oduc os sin necesidad de inclui ningún da o adicional, al y como indica el cuad o guía. Po úl imo, el p og ama demanda el gas o de combus ible que se es á quemando. Si no se iene, simplemen e el úl imo cálculo no se pod á ealiza po comple o, pe o se puede in oduci un alo cualquie a pa a ob ene el Cp del ai e a la empe a u a y con la humedad in oducida. En caso de ene se es e alo , pulsando en el bo ón T. adiab. , se ob ienen el ai e o al in oducido y los p oduc os o ales, sus espec i os Cp, el de los p oduc os a empe a u a adiabá ica; el calo gene ado y la empe a u a adiabá ica. Es a pa e del p og ama es pa icula men e ú il, ya que el cálculo de la empe a u a adiabá ica es sencillo, pe o es un p oceso i e a i o. 11.1.2. Limi aciones Es e p og ama es el más simple de los de los es combus ibles, y no iene en p incipio más limi aciones que las limi aciones gene ales de odo el conjun o, que se de alla án más adelan e. 11.2. Combus ible líquido Es e p og ama es á diseñado pa a hid oca bu os líquidos, po lo que los componen es conside ados son el ca bono y el hid ógeno. La base de cálculo es un kg de combus ible. 11.2.1. Funcionamien o El uncionamien o es muy pa ecido al an e io , pe o adap ándose a las ca ac e ís icas especiales de un combus ible líquido. Una de ellas es la posibilidad de que, en algunas aplicaciones dis in as de las de gene ación é mica, como puede se p opulsión, in e ese que haya cie a can idad de hid oca bu os inquemados. Es a posible aplicación es la que mo i a una se ie de cálculos adicionales, como el del C en es e caso. Es a hoja incluye asimismo, cuad os guía en la esquina supe io de echa. Se inicia con el bo ón de inicio al igual que en el caso del combus ible sólido. De la misma mane a exis en dos posibilidades de exp esa la composición: en po cen aje en peso en e ca bono e hid ógeno, o con la o mulación ap oximada en la o ma CxHy, siendo x e y el núme o de á omos en una molécula de combus ible. Los siguien es bo ones, Ai e Teó ico, Ai e In oducido y Humedad, son p ác icamen e iguales que en el caso de combus ible sólido. Seguidamen e apa ece la p ime a di e encia. En es e caso, si el exceso de oxígeno es meno que la unidad, es deci , que OI <OT, la abla de p oduc os cambia. Mien as que en el caso de exceso es muy pa ecida a la an e io pe o sin SO2, si hay de ec o de oxígenos apa ecen hid oca bu os inquemados. No a que no apa ece la columna de kmol y % en olumen en los 48 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa p oduc os debido a que se desconoce el amaño de la molécula básica del hid oca bu o, ya que solo se iene bien la elación en peso, o bien la o mulación educida en o ma CxHy. Es a ó mula no es la de la molécula básica, ya que en mucho casos es una mezcla de hid oca bu os líquidos, sino que exp esa en los índices x e y la elación C-H espec i amen e. Seguidamen e, in oduciendo el gas o de combus ible se ob iene, además de lo que ya se ob enía en la hoja del combus ible sólido, los C del ai e y los p oduc os, lo que nos pe mi en ob ene los coe icien es de dila ación adiabá ica (γ) di iendo cada Cp en e su espec i o C . 11.2.2. Limi aciones La p incipal limi ación es el desconocimien o de la molécula que o ma el combus ible. Es o sucede en ealidad con los hid oca bu os líquidos, ya que son mezclas de dis in os hid oca bu os líquidos. El p oblema iene en que el Cp es ca ac e ís ico de la especie conc e a. En es e caso, la ap oximación que se ha omado ha sido el de ap oxima el Cp de los hid oca bu os inquemados al de un g upo de hid oca bu os más habi uales, en unción de que se pa ezca más o menos en composición en ca bono y ni ógeno, y ponde a lo po su acción másica. És os son el me ano, el ace ileno, el e ileno, el e ano, p opano, bu ano, pen ano hexano y oc ano. El e o no es demasiado g ande ya que la acción másica de H-C no suele se muy g ande en angos habi uales de de ec o de oxígeno, y además el Cp no di ie e demasiado en e es as sus ancias. 11.3. Combus ible gas Es a hoja es simila a combus ible líquido, pe o ambién apo a sus ca ac e ís icas especiales. Es á diseñada pa a un combus ible que sea una mezcla de hid oca bu os habi uales, y la base un Nm3. 11.3.1. Funcionamien o Al igual que en el caso del combus ible líquido, es a hoja ambién apo a la posibilidad de calcula el coe icien e γ. Como en odas las demás hojas, se inicia con el bo ón de inicio y en es e caso solo exis e una posibilidad de exp esa la composición del gas, y es como una mezcla de hid oca bu os gaseosos conocidos, en e los que es án me ano, ace ileno, e ileno, e ano, p opano y bu ano. Además se iene la posibilidad de exp esa o o componen e po su o mulación química, en la o ma CxHy. En es e caso, si se ha de in oduci exp esando la ó mula de la molécula de gas, ya que se a a de una única especie química. Una ez in oducida la composición los es p ime os pasos son análogos en odos los p og amas, pidiendo el exceso, la empe a u a del ai e y la humedad ela i a, y dando el oxígeno eó ico, el PCI y PCS, el oxígeno in oducido, y la humedad del ai e. 49 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa En es a hoja, al igual que en el caso de los líquidos, se con empla la posibilidad de que haya menos oxígeno in oducido del eó ico y se engan inquemados. Los inquemados se han conside ado p opo cionales a la composición inicial. Con odos es os da os se calculan las ablas de p oduc os con los da os exp esados en kmol/Nm3 de combus ible, % ol, kg/Nm3, y po cen aje en peso, que es el que se ep esen a. Po úl imo, in oduciendo el gas o de combus ible en kg/s, se calcula la empe a u a adiabá ica que se alcanzan, el ai e o al, los p oduc os o ales y los calo es especí icos y coe icien es γ de cada uno de ellos. 11.3.2. Limi aciones Al da la posibilidad de escoge una sus ancia en unción de su ó mula química educida, CxHy, no se pueden ene da os especí icos de ella. Es más, una misma o mulación exp esada de la o ma CxHy puede co esponde se a cadenas de hid oca bu os di e en es, los llamados isóme os. Po an o, an o el Cp como el pode calo í ico han de se ap oximados. Pa a el caso del Cp, se le asigna la acción olumé ica de combus ible a o o combus ible conocido. En el caso del pode calo í ico, se ap oxima po el pode calo í ico se los elemen os en las can idades en las que se ienen. A pa e de es o, la hoja iene las mismas limi aciones que el es o, y que an a se desa olladas en el apa ado 11.5. 11.4. Análisis de O sa La úl ima pa e del p og ama es una hoja de cálculo de condiciones de combus ión a a és de los da os ob enidos en un análisis de O sa . El análisis de O sa es un mé odo muy empelado pa a analiza las acciones olumé icas en dis in as especies de p oduc os de la combus ión, aunque en los úl imos iempos, ha sido sus i uido po disposi i os elec ónicos. No obs an e, a menudo se emplean pa a calib a dichos disposi i os. Pa a ealiza el análisis se emplea una bu e a calib ada conec ada median e una se ie de ubos con ál ulas a un conjun o de pipe as de abso ción. Cada una de es as pipe as con iene una disolución acuosa que es capaz de abso be un de e minado componen e del gas. La p ime a de ellas con iene hid óxido de po asio (KOH), que es capaz de e ene el CO2. Después de su paso po es a pipe a, se obse a la educción del olumen del gas, igual al olumen de CO2 e enido. Pos e io men e se hace pasa el gas, ya sin CO2, po una solución alcalina de pi ogalol en hid óxido de po asio, que e iene el O2. Po úl imo, se hace lo mismo po una pipe a con clo u o cup oso en ácido clo híd ico concen ado, lo que e iene el CO. El es o del olumen del gas se conside a que es ni ógeno. Po an o, obse ando los olúmenes e enidos en cada pipe a, y el inal, se puede calcula las acciones olumé icas de cada gas. Los gases han de se en iados has a empe a u a ambien e, po lo que el apo de agua condensa y solo queda la humedad del ai e a p esiones y empe a u as a mos é icas. 50 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa 11.4.1. Funcionamien o La hoja de O sa es la más sencilla de odas. Dado que no es un da o del análisis, exis en dos posibilidades de calcula el agua que se iene a la salida de la chimenea, necesa ia pa a conoce el oxígeno eó ico. Se puede in oduci la ó mula del combus ible hid oca bu o exp esando la elación en e á omos de ca bono o hid ógeno, o di ec amen e la humedad que enía el combus ible a la salida. Una ez in oducidos los da os, se le da al bo ón calcula y el p og ama calcula, el oxígeno que ha eaccionado, el eó ico, el exceso con el que se es á abajando en an o po cien o, la masa o al de ai e in oducida y la elación en masa del ai e y el combus ible. Todo ello se ealiza en base a 1 Nm3 de gases a la salida de la chimenea. Es e olumen es mayo que el de gases analizados, ya que sí con empla la humedad. Pa a hace más simples los núme os, se ha conside ado un Nm3 pese a que el olumen ípico empleado en un análisis de O sa es de 100 mL. No obs an e, al se acciones olumé icas, se puede emplea a la base de cálculo que se desee. 11.5. Limi aciones gene ales Exis en a ias limi aciones debidas a di e en es aspec os. Un mayo g ado de p ecisión del ob enido es á ue a del obje i o de es e p oyec o, si bien puede queda pa a u u os desa ollos pos e io es el uso de o os medios que, basándose en es e p og ama, pe mi a c ea o a e sión que mejo e dichas limi aciones. 11.5.1 Teo icidad de los cálculos La p incipal limi ación del p og ama de ca a a su posible aplicación es que es de ca ác e eó ico, po lo que hay si uaciones que se dan en la p ác ica que el p og ama no con empla. En p ime luga , si en el exceso de oxígeno se in oduce un núme o mayo posi i o, la combus ión se á pe ec a, no ob eniéndose ni inquemados gaseosos, como CO o hid oca bu os sin quema , ni sólidos como el hollín. Tampoco con empla las cenizas en la salida de p oduc os ni NOx. Po o o lado, en el p og ama no se conside a ni condiciones en las que la combus ión no se p odujese po ebasa los lími es de in lamabilidad, ni las especies in e medias que se pudie an o ma en dicha combus ión. Es o a ec a p incipalmen e al caso de los inquemados, que se han conside ado como combus ible en el es ado o iginal, pe o a mayo empe a u a. En el caso del combus ible líquido se conside a que los inquemados es el p opio combus ible con la misma composición, pe o en el caso de los gases, cab ía o a posibilidad. Al se los gases una mezcla de hid oca bu os, an e la al a de oxígeno se pod ía da una combus ión “selec i a”, es deci , que se quemen más de unas especies que de o as. En el caso del p og ama se ha adop ado la eo ía de las colisiones, y es que, la eac i idad de un gas depende de su concen ación ya que las colisiones en e pa ículas que eaccionan en e sí se án an o más ecuen es cuan a mayo can idad haya de un de e minado gas en un olumen. Es deci , que a mayo concen ación de un gas, más eacciona á és e con el oxígeno. De es a mane a, al eacciona pa e del gas, su concen ación se educe, dando paso a que eaccionen o os y así sucesi amen e has a que queda una composición olumé ica inal de inquemados igual a la composición que se enía inicialmen e. 51 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa Po úl imo, cabe menciona que, al añadi el exceso con el que se quie e abaja , se es á añadiendo el exceso de gases secos, dado que la humedad es a iable. Po lo an o, cuando se añada el ai e ya con la humedad, el exceso se á mayo del da o in oducido, ya que la masa de ai e húmedo in oducido ha aumen ado espec o al ai e seco. Es o iene una impo ancia ela i amen e baja, dado que la humedad ep esen a una acción másica bas an e pequeña en elación al es o del ai e. 11.5.2. Cálculo de p opiedades Exis en ambién cie as limi aciones en las p opiedades de las sus ancias. En p ime luga la p ecisión de los da os que se ienen, que es las ablas y p og amas que se han u ilizado pa a ob ene los, en su mayo ía del EES (Enginee ing Equa ion Sol e ) en lo que se e ie e a los calo es especí icos y la humedad en el ai e. Po o o lado el g ado de p ecisión en de los Cp y C empleados es de 5ºC, que es el mismo que se le exige po an o a la empe a u a adiabá ica, ya que no se puede a ina más con los Cp. En segundo luga el ango de ope ación de las p opiedades, en las que se ha conside ado desde 0 a 4000 ºC en el caso de los calo es especí icos, y desde 0 has a 60 ºC y cualquie ango de humedad ela i a pa a el cálculo de la humedad del ai e. En es e pun o es impo an e des aca un po encial de mejo a u u o del p og ama, y es la a iación del Cp y C con la p esión, que no ha sido enido en cuen a, conside ando p esión cons an e de 100 kPa. Si bien la a iación de los calo es especí icos es muy dependien e de la empe a u a y mucho menos de la p esión, en de e minadas aplicaciones, como mo o es é micos, donde se emplean p esiones ele adas, se ía in e esan e inclui dicha a iación con la p esión. Los Cp y C de sus ancias desconocidas se han ap oximado al de sus ancias con composiciones simila es en ca bono e hid ógeno. De mane a adicional, los pode es calo í icos se han calculado en unción de la composición elemen al cuando la sus ancia no es cla amen e conocida, como po ejemplo en combus ibles líquidos, o en gases cuya o mulación es in oducida al p og ama. De es a mane a se es á desp eciando en los cálculos de los pode es calo í icos las en alpías de o mación de dichas sus ancias, que se debe a los enlaces en e á omos. Si bien es cie o que no son desp eciables, es a ap oximación es menos e ónea en líquidos que en gases, ya que la ene gía de es e es ado de ag egación es meno que en el caso de los gases. Po o o lado, en la pa e de gases la acción del gas no p esen e en e los habi uales la elige el p opio usua io, po lo que en cie o modo la p ecisión de los cálculos puede a ia y se mejo si se op a po gases conocidos. En es e caso, dado el ca ác e eó ico gene al del p og ama, se ha op ado po do a al p og ama de lexibilidad en los da os de en ada an es que po un al o g ado de p ecisión. Un posible ma gen de mejo a en un desa ollo u u o puede se la inclusión de un ca álogo de combus ibles más amplio y sus p opiedades. Po úl imo, el combu en e se ha conside ado ai e a mos é ico en odo momen o, ya que su uso es el más gene alizado. De la misma mane a, no se ha calculado el Cp del ai e con las p opiedades psic omé icas, sino po medio de las acciones másicas ob enidas en oxígeno, ni ógeno y apo de agua. 52 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa 11.6. Consejos gene ales de uso Pa a ga an iza el co ec o de uncionamien o del p og ama es p eciso segui las siguien es ins ucciones. - No bo a pa cialmen e o en su o alidad el con enido de ninguna hoja de las que con o man el lib o. Pa a einicia la ejecución de los cálculos se puede emplea el bo ón bo a que apa ece en cada hoja. - Lee la in o mación de los cuad os que apa ecen en cada hoja, y segui sus ins ucciones. - Añadi los da os en las celdas somb eadas de ama illo. Una ez que es as celdas pasen a blanco, no modi ica su alo . Solo se puede esc ibi de nue o los da os si pa a ol e a ejecu a una pa e del p og ama, se uel e a hace click en el bo ón que dio comienzo a la ejecución de dicha pa e del p og ama. En cualquie caso, es más segu o que se bo e odo el con enido po medio del bo ón bo a y se uel an a in oduci los da os. - Hace click en los bo ones po o den. No es aconsejable ejecu a las mac os po o a ía que no sea haciendo click en los bo ones, ya que su ejecución en un o den dis in o del es ablecido puede lle a a una mal uncionamien o del p og ama. 11.7. Posibles desa ollos u u os Como se ha comen ado en el apa ado 11.5. , hay po encial de mejo a en de e minados aspec os que se deja pa a posibles desa ollos u u os. Los más des acables son: - U ilización de un modelo más p ác ico o expe imen al de la combus ión pa a el cálculo de los p oduc os que con emple si uaciones de combus ión impe ec a, así como la o mación especies in e medias que puedan p oduci se. - Va iación de los Cp y C con la p esión y con angos de empe a u as nega i os. - Inclusión de la opción de emplea combu en es dis in os del ai e a mos é ico. - Inclusión de un ca álogo de combus ibles más amplio, jun o con sus p opiedades. - Empleo del diag ama psic omé ico pa a el cálculo del Cp del ai e a mos é ico. 53 T.F.G. He amien a pa a el cálculo de la combus ión en gene ado es é micos Escuela Técnica Supe io de Ingenie os. Uni e sidad de Se illa Bibliog a ía D . Ing E. B izuela, D . Ing. S. D. Romano. Combus ión. 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