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XVI.- COMBUSTIÓN pfernandezdiez.es - PDF
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Natalia Méndez Cano
1 XVI.- COMBUSTIÓN XVI.1.- INTRODUCCIÓN S ntind por combustión a toda racción química qu va acompañada d gran dsprndiminto d calor; pud sr sumamnt lnta, d tal manra qu l fnómno no vaya acompañado d una lvación d tmpratura snsibl a nustros sntidos, como sucd n la oxidación dl hirro n l air húmdo, fnómno conocido como combustión lnta o rmacausia, o con dsprndiminto d calor muy rápido, como la dtonación. En toda combustión, l lmnto qu ard s dnomina combustibl y l qu produc la combustión, comburnt. Una combustión s la racción dl oxígno con divrsas sustancias, n gnral l carbono y l hidrógno. En la mayoría d los casos l portador dl oxígno s l air; l nitrógno (salvo n la gnración d los NO x ) y los dmás componnts dl air no raccionan con l combustibl, por lo qu n muchos cálculos no s tinn n cunta. Los productos raccionants son, l combustibl, l air, los productos d la combustión gasosos dnominados humos o gass d scap y las cnizas qu pudn originars formadas por componnts no combustibls o no qumados dl combustibl (inqumados). Los xplosivos y cirtos combustibls no prcisan air para ralizar la combustión, por cuanto l oxígno ncsario lo tinn ya químicamnt ligado a llos. En l procso d combustión, las sustancias qu intrvinn raccionan químicamnt y tinn qu cumplir: a) El Principio d Consrvación d la Matria, d forma qu conocidas las cantidads d combustibl y d air ncsario para la combustión, sa posibl hallar la cantidad rsultant d productos d combustión. b) El Primr Principio d la Trmodinámica, por cuanto las raccions químicas, y n particular las combustions, son transformacions nrgéticas. c) El Sgundo Principio d la Trmodinámica, qu prmit obtnr l rndiminto trmodinámico d la transformación d nrgía qu tin lugar durant la racción química, y conocr n qué dircción y n qué proporción s dsarrollará, (quilibrio químico). La combustión s vrifica tanto mjor cuanto más íntimamnt stén unidos l combustibl y l Combustión.XVI.-43
2 comburnt, por lo qu los combustibls más apropiados para ralizar una combustión prfcta son los combustibls gasosos. Hoy día s quman combustibls líquidos y carbón pulvrizado n hogars spcials, qu prmitn una unión más íntima con l air y l aprovchaminto d combustibls d bajo prcio. Cuando un combustibl líquido o gasoso s introduc n un hogar, nada más ponrs n contacto con l air alcanza la tmpratura d inflamación, y ntra n combustión sin qu s rquira ninguna transformación intrmdia. Cuando l combustibl s sólido, n primr lugar xprimnta una gasificación n la parrilla dl hogar, d forma qu los gass así producidos s combinan con l air formando la llama; a continuación, la part qu contin carbono, al alcanzar la tmpratura d inflamación, ntra n combustión por su suprfici. La combustión s dnomina complta o prfcta, cuando toda la part combustibl s ha oxidado al máximo. Si la combustión s incomplta o imprfcta, los productos d la combustión posn sustancias todavía capacs d sr oxidadas, por jmplo l CO qu pud pasar a CO. La combustión incomplta aparc cuando l air s insuficint, o n aqullas zonas d las cámaras d combustión n las qu l air no llga n cantidad suficint. En gnral s tind a vitar las combustions incompltas, ya qu no sólo van ligadas a pérdidas d nrgía, sino también a procsos altamnt contaminants; l combustibl qu no ha raccionado y los componnts combustibls d los humos, continn una nrgía química qu no s aprovcha, al timpo qu s gnran lmntos inqumados CH, y lmntos contaminants CO, NO x, tc. Balancs d matria n las combustions compltas.- Los balancs d matria a considrar n una combustión tinn como misión dtrminar la cantidad d oxígno o air ncsario para fctuar dicha combustión. También tin intrés conocr la cantidad y composición d los productos d la combustión, ya qu d la composición d los humos s pud dducir la marcha d la combustión y, con su análisis, s pud controlar la combustión, y si s prfcta o no. Raccions químicas d combustión.- Los lmntos combustibls d la mayoría d las sustancias combustibls son, l carbono, l hidrógno y una pquña cantidad d azufr. Los cálculos s ralizan mdiant algunas raccions químicas d stas sustancias con l oxígno, tnindo n cunta qu: - El combustibl s un único compusto químico, (sustancia pura), o bin una mzcla d sustancias puras, (mzcla d gass combustibls). - El combustibl, si s un líquido o un sólido, (ful, carbón, tc), s una mzcla d divrsos compustos cuya composición química s pud dtrminar. En cualquir caso, los lmntos combustibls son sólo l C, H y S y las raccions d combustión s pudn rducir, cuando s trata d combustibls sólidos o líquidos, a las trs siguints: C + O CO ( 1 C + 3 O 44 CO ) H + O H O ( H + 16 O 18 H O ) S + O SO ( 3 S + 3 O 64 SO ) Combustión.XVI.-44
3 Hidrocarburos ligros CH 4 Los gass qu s dsprndn dl combustibl sólido son: Psados C H 4, C H, C 6 H 6, d forma En algunos casos l CO y l SO qu: CO + O CO CH 4 + O CO + H O C H O CO + H O C H + 5 O 4 CO + H O C 6 H O 1 CO + 6 H O Si la combustión s incomplta algunos gass combustibls scapan sin ardr, ncontrándos n los humos gass como l CO y algunos hidrocarburos. En gnral, l oxígno db sr abundant para qu la combustión sa lo más complta posibl, por lo qu s ncsario xista air n xcso. Un lvado xcso d air s dsfavorabl porqu disminuy la tmpratura d combustión, arrastrando, admás, un lvado númro d calorías qu s pirdn por los humos, al timpo qu s provoca la aparición d los NO x. Caractrísticas d los combustibls.- Las principals caractrísticas d los combustibls son: a) La humdad, qu s la cantidad d agua contnida n l combustibl, xprsada n % n pso; tin spcial importancia n los combustibls sólidos, y pud sr d dos tipos: - Humdad intrínsca, qu s l agua contnida n l combustibl, n quilibrio con la humdad ambint - Humdad libr, qu s l agua unida mcánicamnt al combustibl durant l procso d lavado b) Las cnizas, matrias inrts, son l rsiduo sólido rsultant d la combustión complta d un combustibl c) Las matrias volátils, propias d un combustibl sólido, son l porcntaj d pérdida n pso xprimntado por l combustibl al calntarlo n ausncia d oxígno durant sit minutos a 95ºC. En st porcntaj no s incluy la humdad dl combustibl d) El carbono fijo, s la matria combustibl ralmnt contnida n l combustibl, o porcntaj d rsiduo sólido una vz dscontadas las cnizas ) Tmpratura d inflamación.- La combustión s la racción xotérmica d un combustibl con l oxígno dl air; para qu tnga lugar no s suficint qu xista contacto ntr l combustibl y l comburnt, sino qu admás s rquir una cirta tmpratura mínima, qu dpnd dl tipo d combustibl, y qu rcib l nombr d tmpratura d inflamación f) Tmpratura d ignición.- La tmpratura d ignición s distingu d la antrior n qu la llama originada por la combustión d los vapors s duradra y prsistnt, mintras qud combustibl. Combustión.XVI.-45
4 XVI..- CALOR DE REACCIÓN Y POTENCIA CALORÍFICA La potncia calorífica s pud xprsar como la cantidad d calor dsprndida n la combustión 1 mol ó 1 si s sólido o líquido complta d la unidad d combustibl 1 m 3. a 0º y 760 mm d Hg, si s un combustibl gasoso En la combustión complta s gnran: C + O CO + 97,6 Kcal/mol H + O H O + 137,9 Kcal/mol S + O SO + 80 Kcal/mol La potncia calorífica d un combustibl s dtrmina n un calorímtro; durant l xprimnto s obsrva qu n las pards dl calorímtro s dposita agua qu provin d la condnsación dl vapor d agua producido n la combustión, qu al condsar cd aproximadamnt 600 Kcal/; ést calor sumado al gnrado n la combustión rcib l nombr d potncia calorífica suprior, qu s l rsultado proporcionado por l calorímtro. Si s mismo combustibl s quma n un hogar industrial, l vapor d agua xistnt n los humos no condnsa dbido a qu la tmpratura d éstos s simpr suprior a ºC; n stas circunstancias los combustibls no proporcionan las calorías qu corrspondn al valor obtnido n l calorímtro, sino un valor infrior qu rcib l nombr d potncia calorífica infrior, qu no s aprovcha íntgramnt, por cuanto los humos calints s llvan part dl calor gnrado; si d la potncia calorífica infrior s dscunta l calor snsibl qu llvan los humos, la cantidad d calor qu ralmnt s pud utilizar rcib l nombr d potncia calorífica útil. XVI.3.- COMBUSTIÓN ESTEQUIOMÉTRICA D las raccions d combustión xpustas s dduc la forma d calcular l air mínimo o tórico ncsario para la combustión, s dcir, l air tóricamnt indispnsabl para qu todo l carbono, todo l hidrógno y todo l azufr d un combustibl s combinn con l oxígno dl air. CÁLCULO DEL PODER COMBURÍVORO.- S llama podr comburívoro d un combustibl a la cantidad d air mínima ncsaria, n condicions normals, para qu s vrifiqu la combustión complta d la unidad d combustibl; a la combustión ralizada n stas condicions s la dnomina combustión nutra, prfcta o stquiométrica. S considramos 1 d combustibl qu tin C d carbono, H d hidrógno y S d azufr, la cantidad d oxígno rqurido para la combustión complta dl carbono rspond a la racción: C + O CO 1 C +,4 m 3 O,4 m 3 CO s dcir: C d carbono ncsitan,4 C 1 d O La cantidad d oxígno ncsaria para la combustión complta dl H s: H + O H O 4 H +,4 m 3 O x,4 m 3 H O H d hidrógno ncsitan,4 H 4 d O Combustión.XVI.-46
5 La cantidad d oxígno ncsaria para la combustión complta dl S supon: S + O SO 3 S +,4 m 3 O,4 m 3 SO S d azufr ncsitan,4 S 3 d O Por lo tanto, l volumn d oxígno ncsario para qumar 1 d combustibl s: V O,4 ( C 1 + H 4 + S 3 - O 3 ) m 3,4 { C 1 + S (H - O 8 )} m 3 n la qu O 3 s l oxígno contnido n l combustibl. Volumn d air mínimo por d combustibl.- Como n parts n volumn d air, 1 son d oxígno, l volumn d air mínimo ncsario para qumar 1 d combustibl s: V air mínimo 1 x,4 ( C 1 + H 4 + S 3 - O 3 ) m 3 106,67 { C 1 + S (H - O 8 )} m 3 La xprsión ( H - O ) s dnomina hidrógno disponibl y rprsnta la part d hidrógno qu quda n l combustibl dspués d qumar l propio hidrógno dl combustibl n l oxígno xistnt, 8 ya qu s ncsitan 8 gramos d oxígno para consumir 1 gramo d hidrógno. El pso dl air ncsario s pud dtrminar n función dl volumn dl air ya calculado, tnindo n cunta qu n condicions normals, 1 m3 d air psa 1,93, y si la composición dl air n pso s d 3% d oxígno, por 77% d nitrógno, rsulta: 1 d O quival a 3 4,35 d air, por lo qu l pso d air mínimo por d combustibl s: P air mínimo 4,35 (,67 C + 8 H + S - O ) d air d combustibl Existn fórmulas mpíricas qu prmitn calcular l volumn d air ncsario por d combustibl, n función d la potncia calorífica infrior P i dl mismo: Para los combustibls sólidos: V air mínimo ( 1,01 P i 0 + 0,5) m 3 Para los combustibls líquidos: V air mínimo 0,85 P i 0 m 3 La cantidad d air dtrminada n stos casos, s la cantidad stricta mínima d air ncsaria (condición stquiométrica), para qu s vrifiqu la combustión total. En la práctica s prciso tomar una cantidad mayor qu la tórica, para qu la combustión sa lo más prfcta posibl. Volumn d air mínimo por m3 d combustibl.- Si por jmplo n 1 m3 d combustibl gasoso xistn H m3 d hidrógno, CO m3 d monóxido d carbono, CH 4 m3 d mtano, C H 4 m3 d tano, C H m3 d actilno y C 6 H 6 m3 d bncno, las raccions químicas son: H + O H O CO + O CO Combustión.XVI.-47
6 CH 4 + O CO + H O C H O CO + H O C H + 5 O 4 CO + H O C 6 H O 1 CO + 6 H O y, para 0 C y 760 mm, rsulta un volumn d air ncsario mínimo: V air mínimo 4,76 ( H + CO + CH C H 4 +,5 C H + 7,5 C 6 H 6 - O ) m 3 Si la cantidad d hidrocarburos psados (tno, actilno y bncno) no s conoc n dtall, pro sí l valor d su suma CH m 3, s pud aplicar con aproximación suficint la xprsión: V air mínimo 4,76 ( H + CO + CH CH - O ) m 3 Si s conoc la potncia calorífica infrior P cal. inf. dl combustibl, para los gass pobrs como l gas d alto horno, gas d gasógno, gas d agua, tc, s tin: V air mínimo 0,875 P cal. inf. 0 m 3 m 3 Para los gass ricos, como l gas dl alumbrado, gas d rfinrías, gas d hornos d coqu, tc: V air mínimo ( 1,09 P cal. inf. 0-0,5) m 3 m 3 CÁLCULO DEL PODER FUMÍGENO.- El podr fumígno s dfin como l pso d los humos producidos n la combustión d la unidad d combustibl. Considrando qu la combustión s raliza mplando como comburnt no l oxígno puro, sino l air, los gass procdnts d la combustión srán, para la combustión prfcta, anhídrido carbónico, vapor d agua y nitrógno, y admás, para l caso d qu la combustión no sa complta, óxido d carbono. También habrá oxígno procdnt dl air, si ést s ha tomado n xcso, y si l combustibl tin azufr, habrá anhídrido sulfuroso. El pso y volumn d los gass d combustión, qu por 1 d combustibl tin C d carbono, H d hidrógno, S d azufr y Z d cnizas, lo obtnmos n la forma: Volumn d los humos scos : V humos scos V H + V CO + V SO 79 1 x,4 { C 1 + S ( H - O 8 )} +,4 ( C 1 + S 3 ) m 3 Pso d los humos scos:,4 { 1 ( 1 C + 3 S ) ( 8 H 3 - O )} m3 humos ustibl P humos scos P H + P CO + P SO P H 77 3 P O 3,35 (,67 C + 8 H + S - O ) P CO + P SO 3,66 C + 9 H + S 3,35 (,67 C + 8 H + S - O ) + 3,66 C + 9 H + S humos ustibl Para 1 d combustibl, l pso d los humos scos s: Combustión.XVI.-48
7 P humos scos P combustibl + P air mínimo - P cnizas 1 + 4,35 (,67 C + 8 H + S - O ) - Z Para 1 d combustibl, l pso d los humos scos s: humos ustibl P humos scos P combustibl + P air mínimo - P cnizas 1 + 4,35 (,67 C + 8 H + S - O ) - Z humos ustibl Fig XVI.1.- Volúmns d humos y air mínimo para los combustibls sólidos (Rosin) Fig XVI..- Volúmns d humos y air mínimo para combustibls líquidos y gasosos (Rosin) Combustión.XVI.-49
8 Formulación mpírica para l cálculo dl volumn d humos total producidos por un combustibl n función d su potncia calorífica infrior Existn fórmulas qu proporcionan l volumn d humos total producidos por un combustibl n función d su podr calorífico infrior P cal. inf. d la forma: Para combustibls sólidos: V humos ( 0,89 P cal. inf 0 Para combustibls líquidos: V humos 1,11 P cal. inf 0 + 1,65) m 3 m 3 Para gass pobrs: V humos ( 0,75 P cal. inf 0 + 1) m3 Para gass ricos: V humos ( 1,14 P cal. inf 0 + 0,5) m3 qu junto a las qu proporcionan l air mínimo ncsario para una combustión prfcta, s conocn como fórmulas d Rosin, y son d utilidad si no s conoc la composición química dl combustibl. En un sistma cartsiano, tomando sobr l j d abscisas los humos totals (humos húmdos) y sobr l d ordnadas los podrs caloríficos infriors P cal. inf, Rosin comprobó qu las línas qu rlacionan a stos valors son, aproximadamnt, rctas; lo mismo sucd con la lína qu rlaciona al air mínimo con la potncia calorífica, como s pud obsrvar n las gráficas d las Fig XVI.1 y corrspondints a combustibls sólidos, líquidos y gasosos. XVI.4.- COMBUSTIÓN CON EXCESO O CON DEFECTO DE AIRE Dado l corto timpo n qu n un hogar stán juntos l combustibl y l comburnt, s imposibl qu s combinn por complto aunqu s haga llgar al hogar l air mínimo ncsario para la combustión ants calculado, ya qu ést no s pud ponr n contacto con todo l combustibl qu pasa al mismo timpo por l hogar; n la práctica habrá qu mplar una cantidad ral d air G air ral mayor qu la calculada. Coficint d xcso d air.- La rlación ntr l air ral y l air mínimo s dnomina coficint d xcso d air s d la forma: s A air ral A air mínimo, n la qu: Para combustibls sólidos: s 1,5,0 Para combustibls líquidos: s 1,1 1, Para combustibls gasosos: s 1,0 1,1 Excso d air.- El xcso d air s dfin n la forma: A air ral - A air mínimo ( s - 1) A air mínimo qu s sul xprsar n %, pudindo sr positivo (xcso), o ngativo (dfcto) Si V t s l volumn d air tórico o mínimo, l volumn práctico s: V p V t + V t Si s admit qu l H y l S s quman compltamnt, y qu l C s quma parcialmnt produ Combustión.XVI.-430
9 cindo CO y CO, las cuacions d la combustión son: C + O CO ; C + 1 O CO por lo qu: - El volumn d los gass d la combustión, rfridos a 1 d carbono, s l mismo tanto si s quma para formar sólo CO o bin la mzcla d CO y CO, por lo qu l volumn d (CO +CO) n los gass d combustión s l mismo qu l d CO n la combustión stquiométrica. - El volumn d O consumido para formar (CO +CO) s mnor qu l ncsario para formar CO por lo qu qudará n los humos un xcso d O (no combinado V CO ), igual a la mitad dl volumn dl CO formado. En la práctica s important sabr l xcso d air con qu s vrifica la combustión n un hogar, para lo cual s dtrmina l % d CO n los humos scos (humos qu qudan dspués d condnsar l vapor d agua al salir dl hogar); a partir d st dato s pud calcular l coficint d xcso d air basándos n las siguints considracions: - En la combustión stquiométrica, todo l oxígno dl air comburnt (1% n volumn) forma un volumn igual d CO, dduciéndos qu l % máximo tórico d CO n los humos s dl 1%. Como los combustibls, admás d C tinn casi simpr H (y dado qu l O db combinars también con l H ) l % d CO n los humos scos no pud llgar a la cifra antriormnt indicada, s dcir, l valor máximo tórico d CO s algo mnor, dl ordn dl 19%. - Si la combustión no s nutra, st 19% dl oxígno dl air disponibl para formar CO no s combina n su totalidad con l carbono, qudando un volumn V ' O n los humos scos. Si V ' CO s l volumn d CO n los mismos, s db vrificar qu: V ' CO + V ' O 0,19 Dividiéndola por V CO ' s obtin: V ' CO + V ' O V ' CO 0,19 V ' CO Como V ' CO + V ' O s l volumn d oxígno ral mplado n la combustión y V ' CO s l volumn d oxígno mínimo rqurido para la misma, l primr mimbro d la igualdad antrior s, por lo tanto, la rlación ntr l oxígno ral y l oxígno mínimo, qu s igual a la rlación ntr l air ral y l air mínimo, s dcir s 0,19, qu proporciona una primra aproximación dl valor dl coficint d xcso d V ' CO air s, cuando s conoc l % d CO n los humos scos. Volumn total d los gass d combustión.- El volumn total d los gass d combustión, con xcso o con dfcto d air, y formación d CO + CO, s: V ' humos V humos scos + V t + V CO m 3 El volumn d O d los humos s: V ' O 1 V t + V CO m 3 Combustión.XVI.-431
10 El volumn d CO d los humos s: V ' CO A' V humos scos - V CO m 3 El volumn d CO d los humos s: V ' CO V m3 CO Llamando x, y, t a los % n volumn dl O, CO y CO n los humos, s obtin: x % n volumn dl O y % n volumn dl CO t % n volumn dl CO V ' O V ' humos V ' CO V ' humos V ' CO V ' humos 1 V humos scos + V t + V CO V t + V CO A V humos scos - V CO V humos scos + V humos scos + V CO V t + V CO V t + V CO A partir d stos cálculos s pud rprsntar gráficamnt la combustión, mdiant l triángulo d la combustión o diagrama d Ostwald, cuya construcción xponmos a continuación. XVI.5.- DIAGRAMA DE OSTWALD Para un combustibl dado, si los valors d C, H, O y S son constants, los valors d las cuacions qu proporcionan V air mínimo, V humos scos y A% d CO, también srán constants. Como la caractrística d una combustión s su xcso o dfcto d air, vamos a dtrminar una rlación ntr las concntracions d O (x) y CO (y); liminando V CO ntr las cuacions antriors s obtin: x (% n volumn dl O ) 1 V humos scos + V t + V CO V t + V CO y(% n volumn dl CO ) 00 - x V humos scos - 79 V humos scos + A 00 V humos scos- V CO V humos scos + V t + V CO V t V t + V CO 00 + y 00 V humos scos + V t + A V humos scos 00 V humos scos + V t + V CO Dividiéndolas ntr sí: V 00 - x humos scos y V humos scos + 79 V t V t + A V humos scos 00 Combustión.XVI.-43
11 Dspjando y rsulta. y A V humos scos + V t - x {( 00 + A ) V humos scos + V t } V humos scos + 79 V t Dicho valor n l plano (x, y) proporciona una familia d rctas con xcso d air constant. Eliminando V CO y ntr las cuacions qu rprsntan los valors d x, y y t s obtin: y t A V humos scos - V CO ; V CO y + t t A V humos scos V V CO A V humos scos t CO ( y + t ) D la cuación qu proporciona l valor d t s obtin: V t V CO t - V humos scos - V CO valor qu sustituido n la cuación qu proporciona x prmit obtnr: x 1 ( V CO t V humos scos + V CO t - V humos scos - V CO ) + V CO - V humos scos - V CO + V CO 1 V CO t - 1 V humos scos V CO t - 1 V CO 00 + V CO x V CO t 1 V CO t - 1 V humos scos + 79 V CO 00 x t 1 t - 1 V humos scos Sustituyndo l valor d V CO antriormnt obtnido, rsulta: x t 1 - t 1 V humos scos A V humos scos t ( y + t ) ( y + t ) t A t y multiplicándola por (00 A t) s obtin: 00 A x 1 x 00 ( y + t ) + 79 A t y A - ( 1-79 A 1 x 00 ) t - A 1 x n la qu fijado l parámtro t rsulta una familia d rctas d % d CO constant. Las familias d rctas (xcso d air) y t % n volumn d CO constants, constituyn l diagrama d Ostwald. ESTUDIO DE LAS ISOLÍNEAS DEL DIAGRAMA DE OSTWALD Rcta d combustión prfcta.- En la rcta rprsntativa d la combustión prfcta, todo l C s quma y s transforma n CO, con lo qu t 0; la cuación qu proporciona l valor d y, rcta (AD) dl diagrama, Fig XVI.3, quda n la forma: y A - A 1 x, para: x 0, y a y 0, x 1 x 0 En l punto A no hay oxígno n los humos, por lo qu la combustión s stquiométrica; la y A cantidad d air ncsario s V t y l xcso d air, 0. Combustión.XVI.-433
12 x 1 En l punto D l contnido n oxígno d los humos s igual al dl air, 1%. y 0 Los productos d combustión son dsprciabls frnt al xcso d air, qu s pud considrar como infinito. La rcta (AD) s pud graduar compltamnt n xcso d air ; para llo s pud utilizar la cuación qu dfin y hacindo V CO 0, ya qu s trata d una combustión complta, n la forma: y A V humos scos V humos scos + V t Para l xcso d air 1, la fórmula antrior proporciona y 1, qu prmit obtnr l punto P 1 corrspondint al xcso 1. Dl mismo modo s pudn hallar los puntos para otros valors dl xcso d air. Fig XVIII.3 Fig XVI.4 Si n la cuación qu proporciona x hacmos V CO 0, (combustión complta), s obtin: x 1 V t V humos scos + V t, qu para l punto P 1 sría x 1. Rctas d igual contnido n CO, t ct.- Estas rctas, d la forma y A - (1-79 A 1 x 00 ) t - A 1 x son parallas a la rcta d combustión complta, por cuanto sta cuación y la y A - 1 A x, sólo s difrncian n l término ( A 1 x 00 ) t Para construir sta rcta basta con dtrminar un punto, l d intrscción con l j (Oy) y trazar por él una paralla a la rcta (AD) d combustión complta, Fig XVI.4: y x 0 A - (1-79 A 1 x 00 ) t Combustión.XVI.-434
13 El valor máximo d t máx s obtin cuando no hay ni CO ni O n los gass d combustión, s dcir x 0, por lo qu: y 0 t máx A 1-79 A 1 x 00 s: Rctas d igual xcso o dfcto d air, constant.- La cuación d la familia d stas rctas y A V humos scos + V t - x {( 00 + A ) V humos scos + V t } V humos scos + 79 V t n la qu tin xcpcional importancia la rprsntativa d 0, dnominada lína d air, qu divid al plano n dos rgions: a) La corrspondint a las combustions qu s ralizan con dfcto d air b) La corrspondint a las combustions qu s vrifican con xcso d air La cuación d sta rcta s obtin hacindo n la antrior 0, por lo qu: y A - ( + A ) x x 0 qu para pasa por l punto A ; l punto E s dtrmina para, y 0: x ( OE ) y A A + A Trazada sta rcta d xcso d air nulo 0, s pud trazar la corrspondint a un xcso d air cualquira, para lo cual basta con tnr n cunta la propidad caractrística d las rctas d xcso o dfcto d air constant, qu consist n qu todas llas pasan por un punto fijo, d coordnadas x indpndintmnt d los valors d A, V y -00 t y V (humos scos), sindo ést punto l mismo para x todos los combustibls; ésto s compruba hacindo n la xprsión d y qu s convirt n y 00 una idntidad. x El punto fijo stá lo suficintmnt ljos d la zona d utilización dl diagrama, qu s y 00 pud admitir, con gran aproximación, qu n dicha zona las rctas d xcso o dfcto d air constant son parallas, Fig XVI.5, lo qu prmit un trazado rápido d las rctas d igual xcso o dfcto d air, pus basta con tomar l punto P d xcso d air dado 1 sobr la rcta (AD), y por él trazar una paralla a la rcta (AE) d xcso, 0. Cuando sa ngativo, (dfcto d air), l punto P d la rcta (AD) s ncontrará a la izquirda dl punto A. Si s dsa trazar xactamnt las rctas d ct, sin acudir a la propidad antrior (qu sólo las da aproximadamnt), basta con dtrminar para cada rcta dos puntos, qu son aqullos n qu x 0 corta a los js, hacindo, con lo qu los puntos M y N son, Fig XVI.6: y 0 Punto M : x 0 ; y A V humos scos + 4 V t V humos scos + 79 V t Combustión.XVI.-435
14 Punto N: y 0 ; x A V humos scos + 4 V t ( 00 + A ) V humos scos + V t Rctas rprsntativas d las combustions rductoras, (incompltas por dfcto d air, sin prsncia d oxígno).- S trata d la vrtical (OA), cuya cuación s x 0, Fig XVI.6. Fig XVI.5.- Rctas d igual xcso o dfcto d air constant Fig XVI.6.- Rctas d igual xcso o dfcto d air (-) constant XVI.6.- UTILIZACIÓN DEL DIAGRAMA DE OSTWALD Sobr l diagrama construido para un combustibl dado, s llvan sobr l j d ordnadas los valors d CO y sobr l j d abscisas los d O, qu s dtrminan n los humos mdiant l análisis d los gass. Así s obtin un punto P, Fig XVI. 7, qu proporciona, dirctamnt o por intrpolación, l xcso o dfcto d air p y l contnido n CO. D los valors d CO, CO, O y s pud dducir si la combustión tin lugar n bunas o n malas condicions. Por jmplo, si para s obtin un valor acptabl y, sin mbargo, l valor d CO s bajo y alto l d O y CO, la conscuncia s qu la combustión s dfctuosa, no por falta d air, sino por una mala distribución dl combustibl o por star l hogar a baja tmpratura. D sta forma s obtinn las indicacions prcisas para l rglaj dl air y l funcionaminto dl hogar n gnral. Fig XVI.7 Combustión.XVI.-436
15 Es vidnt qu l punto P dbrá star lo más crca posibl d la rcta (AD), mintras qu l CO dbrá star lo mnor posibl, y lo más crca posibl dl punto A, (xcso d air mínimo), lo qu prmit qu n l hogar s pudan hacr las maniobras ncsarias para qu s cumplan lo más aproximadamnt posibl las condicions dichas. Cuando un punto n l diagrama d Ostwald marca un xcso d air, (gran xcso d O ), la mala marcha d la combustión s pud dbr a alguna grita qu prmita una ntrada d air indbida. Cuando un punto n l diagrama marca un xcso d air, y un CO y O xcsivos, la mala marcha d la combustión pud sr dbida a qu l combustibl s quma mal, por sr la tmpratura inadcuada. Construccion dl diagrama d Ostwald.- Vamos a stablcr los cálculos para la ralización y construcción dl diagrama d Ostwald, tomando como mustra una hulla bituminosa qu tin la siguint composición química: C 78,8% ; H 4,98% ; O 4,78% ; S 1,0% Valor d A, % d CO n los humos: A,4 ( C 1 + S 3 ) V humos scos,4 ( C 1 + S 3 ),4 { 1 ( C 1 + S 3 ) + 8 H - O } 3 78, , 3 1 ( 78,8 + 1, ( 8 x 4,98) - 4,78 ) ,03 0,3% Valor d V t (volumn d air mínimo ncsario para qumar 1 d la hulla citada): V t,4 1 ( 1 C + 3 S + 8 H 3 - O ) 1,066 ( 78,8 1 V humos scos,4 { 1 ( C 1 + S 3 ) Trazado d la lína d air: 8 H - O 3 },4 { 1 ( 78, , 3 + ( 8 x 498) - 4,78 ) 8,17 3 m 3 + 1, 3 ) ( 8 x 4,98) - 4,78 3 )} 7,9 m 3 Para: x 0, y A 0,3 y 0, x A + ( A/) 0,3 + ( 0,3/) 9,1, qu conforman la rcta d 0. Trazado d las rctas d constant: ( -15), y A V humos scos V t V humos scos+ 0,3 x 7,9 7, ,17 4 Tabla XVI.1.- Puntos por dond pasan las rctas parallas a la lína d air y 4,63 1,4 0,3 18,4 16,8 15,5 14,37 13,4 1,54 10, ,96 3,3 1,79 Trazado d las línas d t constant: Combustión.XVI.-437
16 y A - (1-79 A 1 x 00 ) t - A 79 x 0,3 x 0,3 - ( x 00 ) t - 0,3 1 x 0,3-0,618 t - 0,97 x t x y 14,1 7,94 1,46 Rctas parallas a la rcta t 0, d humos sin CO Componnts dl combustibl, C78,8; H4,98; O4,78; S1,0 Fig.XVI.8.- Diagrama d Ostwald Ejmplo: S tin una hulla grasa con un 30% d matrias volátils y calorías. Su análisis químico proporciona l valor dl CO 8,5% y dl O 10,1%, qu son las coordnadas dl C. El diagrama auxiliar d Schults proporciona l CO (máximo) 18,7%, lo qu prmit obtnr l punto A, y las línas (AB) y (AA 1 ). Trazando (CD) paralla a (AB) s tin D, cuyo O 0,9% fi CO,09 1,8%. Combustión.XVI.-438
17 Madra C 49,9, H 6,, O 43,9, COmáximo 0,4 Hulla sca d llama larga C 75, H 5,5, O 19,5, COmáximo 19,1 Hulla grasa d llama larga C 80, H 5, O 15, COmáximo 19, Hulla grasa C 85, H 5, O 10, COmáximo 19,0 Hulla grasa d llama corta C 89, H 5,5, O 5,5, COmáximo 18,68 Hulla magra antracitosa C 91, H 4,5, O 4,5, COmáximo 19,06 Hulla magra antracitosa* C 93, H 4, O 3, COmáximo 0,1 Antracita o cok C 95, H, O 3, COmáximo 0,1 Antracita o cok* C 97, H 1, O, COmáximo 0,6 Bnzol C 9,1, H 7,9, COmáximo 17,47 Mazut (rsiduo d la dstilación dl ptrólo C 85,9, H 1,6, O,5, COmáximo 15,7 Mazut* C 86,8, H 1,15, O 1,05, COmáximo 15,8 Gasoil C 87, H 1, O 1, COmáximo 15,9 Bncina C 85,1, H 14,9, COmáximo 14,84 Fig XVI.9.- Triángulos d la combustión prfcta para combustibls sólidos y líquidos Combustión.XVI.-439
18 Madra scada al air P cal. inf cal, CO máximo 0,9% Bncina d automóvil C 85,1%, H 14,9% ; P cal. inf cal, CO máximo 14,84% Gasoil C 87%, H 1%, O 1% ; P cal. inf. 00 cal, CO máximo 15,9% Acit d alquitrán para motors Disl C 90%, H. 7% ; P.c.i cal, CO máximo 17,7% Mazut Schll C 86%, H 1%, O 1% CO máximo 15,9% Fig XVI.10.- Triángulos d combustión prfcta imprfcta Combustión.XVI.-440
19 ANEXO.- PROBLEMAS En los cálculos stquiométricos hay qu distinguir continuamnt ntr l balanc d la masa, qu s db mantnr, y las variacions molculars d sus cuacions. Por jmplo, n la cuación d combustión: CO + 1 O CO l cambio molcular s xprsa por: -mol CO + 1 -mol O -mol CO s dcir, s ha producido una rducción molcular d, mol, a -mol al pasar dl stado ractivo al stado producto. Sin mbargo, por l Principio d Consrvación d la Masa, db xistir un stricto balanc ntr los kilos d ractivos y productos. Pusto qu los númros antriors rprsntan los valors rspctivos d n CO, n O, y n CO, la cuación d la masa s pud ponr n la forma: n M (CO) + n M (O ) n M (CO ) s dcir: -mol (CO ) x 8 ( -mol ) CO+ 1 -mol ( O ) x 3 ( -mol ) O -mol ( CO ) x 44 ( 56 CO + 3 O 88 CO (n quilibrio, pusto qu )93 Para l bncno s tin: ( C 6 H 6 ) + 15 ( O ) 1 ( CO ) + 6 ( H O ) n la qu: n ( ractivos ) mol n ( productos ) mol -mol ) CO s dcir, xist un incrmnto molcular, mintras qu s mantin l balanc d la masa pusto qu n st caso s pud ponr: ( x 78) C 6 H 6 + ( 15 x 3) O ( 1 x 44) CO + ( 6 x 18) H O s dcir A vcs s obtin un balanc simultáno n masa y volumn; por jmplo n la racción: CO + H O CO + H l númro d ractivos y d productos s igual a -mol ó Una caldra utiliza un combustibl gasoso con l siguint análisis volumétrico: H 48% ; CH 4,5% ; CO 19% ; N 6% ; CO 4,5%. El air qu s suministra xcd n un 5% al suministro d air stquiométrico, y con sta proporción air/combus-tibl, la combustión s complta. Calcular para -mol d combustibl los porcntajs d los gass d la chimna analizados n las siguints situacions: Combustión.XVI.-441
20 (a) sobr una bas volumétrica para los gass scos d la chimna (b) sobr una bas d la masa para l total d gass húmdos d la chimna. RESOLUCIÓN H + O H O Ecuacions químicas básicas d la combustión: CH 4 + O CO + H O CO + O CO El combustibl stá formado por 48 -mol d H ;,5 -mol d CH 4 ; 19 -mol d CO 6 -mol d N ; 4,50 /mol d CO Para la combustión stquiométrica: 48 -mol d H ncsitan 4 -mol d O,5 -mol d CH 4 ncsitan 45 -mol d O 19 -mol d CO ncsitan 9,5 -mol d O por lo qu l rquriminto stquiométrico d oxígno para l combustibl s d: ,5 78,5 /mol d O por /mol d combustibl Como l suministro d air xcd n un 5% a las ncsidads stquiométricas qu l oxígno suministrado también s un 5% suprior al calculado para la combustión stquiométrica, por lo qu: Suministro d oxígno: 1,5 x 78,5 98,1 -mol Suministro d nitrógno: 3,76 x 98,1 369,1 -mol Productos d la combustión: 368, ,9 -mol d N por -mol d combustibl mol d H O por -mol d combustibl 4,5 +, mol d CO por -mol d combustibl 398,1-78,5 19,6 -mol d O por -mol d combustibl Análisis sco (s xcluy l agua) n M (/-mol) x n/ n Nitrógno 374,9 8 x(n ) 374,9/440,5 0,851 85,1% Anhidrido carbónico x(co ) 46/440,5 0, ,44% Oxígno 19,6 3 x(o ) 19,6/440,5 0,0445 4,45% Total ,5 Análisis húmdo n M (/-mol) n M (-mol) % masa (n M)/Σ(n M) Nitrógno 374, /148 0,708 70,8% Vapor d agua /148 0,119 11,9% Anhidrido carbónico /148 0, ,65% Oxígno 19, /148 0,043 4,3% Total ,5 148 ********************************************************************************.- Un combustibl drivado dl ptrólo cuyo análisis gravimétrico s: C 86% ; H 1% ; O 1% ; S 1% s quma con air qu xcd n un 70% dl mínimo para la combustión complta tórica. Dtrminar por 1 d combustibl: a) La masa d air qu s suministra por d combustibl b) El análisis volumétrico d los gass dspués d la combustión. Combustión.XVI.-44
21 RESOLUCIÓN Ecuacions químicas básicas d la combustión: 1 H + ( 3/4 ) O 9 H O 1 C + ( 3/1) O ( 44/1) CO 1 S + 1 O SO H + O H O ; 4 H + 3 O 36 H O C + O CO ; 1 C + 3 O 44 CO S + O SO ; 3 S + 3 O 64 SO por lo qu l oxígno stquiométrico por d combustibl s: ( 3 x 0,86) C + {( x 0,1) - 0,01} O + ( 1 x 0,01) S 3,53 O por lo qu: Masa air { } 1,7 x 3,53 O Masa Masa air 1 + 0,7 1,7 combustibl Gass d la combustión por 1 d combustibl: x air 0,33 O 3,73 air ( 44 1 x 0,86) CO + ( 36 4 x 0,1) H O + ( x 0,01) SO + ( 3,53 x 0,7 ) O + ( 0,767 x 3,73) N ( ) 3,153 CO + 1,08 H O + 0,0 SO +,77 O + 18, N G () M (/-mol) G/M (-mol) x (G/M)/Σ(G/M) Nitrógno 18, 8 0,65 0,65/0,853 0, ,18% Vapor d agua 1, ,06 0,06/0,853 0,0703 7,03% Anhidrido carbónico 3, ,0717 0,60717/0,853 0,084 8,4% Oxígno,77 3 0,071 0,071/0,853 0,0834 8,34% Anhidrido sulfuroso 0,0 64 0,0003 0,0003/0,853 0,0004 0,04% Total... 4,73 0,853 -mol Los porcntajs n volumn son: N 76,18 ; H O 7,03 ; CO 8,4 ; O 8,34 ; SO 0,04 ******************************************************************************** 3.- Calcular los análisis volumétricos scos d los gass dsprndidos d la combustión dl alcohol tílico C H 6 O con concntracions d mzcla d 90% y 10%. S pud considrar qu no xist oxígno libr n l scap con la mzcla rica n combustibl y qu la combustión s complta con la mzcla débil n combustibl. RESOLUCIÓN Racción química: C H 6 O + 3 O CO + 3 H O 46 C H 6 O + 96 O 88 CO + 54 H O Rlación d masa stquiométrica air combustibl G air G 96 comb 46 O air 0,33 O 8,96 air La concntración d la mzcla s dfin n la forma: CM MEZCLA DEL 90% DE CONCENTRACIÓN G air G comb 8,96 0,9 9,96 air (mzcla pobr) air stquiométrico suministrado air ral suministrado Combustión.XVI.-443
22 C H 9,96 x 0,33 x 46 6O + O 3 + 9,96 x 0,33 x 46 3 x 79 1 N CO + 3 H O + a O + b N C H 6 O + 3,336 O + 1,55 N CO + 3 H O + a O + b N Equilibrio atómico: Oxígno 0,5 + 3, a a 0,336 Nitrógno 1,55 b El volumn total d los productos scos s: n + 0,336 +1,55 14,886 -mol, por lo qu: x CO n CO n 14,886 x 13,44% ; x O n O n 0,336 x 14,886,6% ; x N n N n 1,55 x 14,886 84,3% MEZCLA DEL 10% DE CONCENTRACIÓN G air G comb 8,96 1, 7,47 air (mzcla rica) C H 6 O + 7,47 x 0,33 x 46 3 O + 7,47 x 0,33 x 46 3 x 79 1 N a CO + b CO + c H O + d N C H 6 O +,5 O + 9,41 N a CO + b CO + c H O + d N Equilibrio atómico: Carbono a + b Oxí gno 0,5 +,5 a + b + c Hidrógno 3 c a 1 ; b 1 ; c 3 El volumn total d los productos scos s: n ,41 11,41 -mol, por lo qu: x CO n CO n 1 11,41 x 8,76% ; x CO n CO n 1 11,41 x 8,76% ; x N n N 9,41 x 8,47% n 11,41 ******************************************************************************** 4.- Un combustibl tin d masa 84% d carbono y 16% d hidrógno. Dspués d qumar l combustibl con air, l análisis volumétrico sco d los productos s: CO 10% ; CO 1% ; O 5,35%. Dtrminar l tanto por cinto d air suministrado n xcso. RESOLUCIÓN Por cada d combustibl s obtinn 0,84 d C y 0,16 d H. Si s suministran X -mol d air (qu contin 0,1 X -mol d O y 0,79 X -mol d N ) por d combustibl, la cuación d la combustión n -mol s: 0,84 C -mol C 1 C + 0,16 H -mol H H + 0,1 X -mol O + 0,79 X -mol N a -mol CO + b -mol CO + c -mol H O + d -mol O + -mol N Equilibrio atómico: Carbono 0,84/1 a + b 0,07 Hidrógno 0,16/ c 0,08 Oxígno 0,1 X a + (b + c)/ + d Nitrógno 0,79 X qu junto con las cuacions d los balancs nrgéticos a b x CO x CO 10% 1% 10 ; a d x CO x O 10 5, 35 1, 87 Combustión.XVI.-444
23 compltan l sistma d 6 cuacions y 6 incógnitas cuyas solucions son: Balanc dl carbono: 0,07 a + b { a 10 b } 10 b + b 11 b b 0, a 0,06364 Balanc dl oxígno: 0,1 X a + b + c + d d 5,35 a 10 5,35 x 0, , , , ,08 + 0, ,14087 X 0,6708 -mol air Como M air 9 air -mol air rsulta G air G comb 0,6708 -mol air x 9 air -mol air 19,45 air La rlación stquiométrica s: {0,84 G air G comb stquiométrica xistindo un xcso d air C 3 x comb 1 19,45-15,11 15,11 O C } + {0,16 H x 8 O H } 0,33 O air 0,87 8,7% 15,11 air ******************************************************************************** 5.- Una máquina utiliza un combustibl gasoso d composición volumétrica CO 6% ; H 9% ; CH 4 38% ; CO 6% ; O 1% ; N 0%, qu s quma con air n un motor, sindo la rlación volumétrica air/combustibl 7/1. Dtrminar la composición volumétrica d los gass d scap considrando no xist CO. RESOLUCIÓN Para 1 -mol d combustibl, la cuación química corrspondint s: 0,6 CO + 0,09 H + 0,38 CH 4 + 0,06 CO + 0,01 O + 0,0 N + ( 0,1 x 7 ) O + ( 0,79 x 7 ) N a CO + b H O + c O + d N Equilibrio atómico: Carbono 0,6 + 0,38 + 0,06 a 0,7 Hidrógno 0,09 + 0,76 b 0,85 Oxígno 0,13 + 0,06 + 0,01 + 1,47 a + ( b /) + c 0,7 + ( 0,85/ ) + c c 0,565 Nitr ógno 0, + 5,53 d 5,73 El volumn total s: n 0,7 + 0,85 +0, ,73 7,85 -mol, por lo qu: x CO n CO n 0,7 7,85 8,95% ; x x H O n H O n x O n O n 0,545 7,85 x 6,96% ; x N n N n 5,73 7,85 0,85 7,85 x 10,86%; x 73,3% ******************************************************************************** 6.- Dtrminar la rlación d la masa stquiométrica air/combustibl para una gasolina d composición química parcida a la dl hxano C 6 H 14 y l análisis volumétrico d los gass (húmdos) dsprndidos n la combustión n las siguints situacions: a) Está prsnt todo l vapor d agua b) Los gass s nfrían a 1,0135 bar y 18ºC. RESOLUCIÓN a) La cuación química corrspondint s Combustión.XVI.-445
24 C 6 H ,5 O + ( 9,5 79 x 1 ) N 6 CO + 7 H O + ( 9,5 79 x 1 ) N C 6 H ,5 O + 35,7 N 6 CO + 7 H O + 35,7 N La rlación d la masa stquiométrica air/combustibl vin dada por: G air G 9,5 -mol O -mol comb 3 O x x comb stquiométrica -mol comb 86 -mol O x air 0,33 O 15,17 air n ,7 48,7 -mol -mol comb x H O n H O n 7 48,7 x 14,4% ; x CO n CO n 6 48,7 x 1,3% ; x N n N n 35,7 x 48,7 73,3% b) La prsión dl vapor d agua a 18ºC s d 0,006 bar, por lo qu: x H O n H O n p H O p 0,006 x,03% 1,0135 n n H O + 6 CO + 35,7 N n H O 0,003 n 0,003 ( n H O + 41,7) n H O 0,85 -mol 0, ,7 4,57 -mol x N n N n 35,7 4,57 83,90% ; x x CO n CO n 6 4,57 x 14,1% ******************************************************************************** 7.- Una mustra d gas combustibl tin l siguint análisis volumétrico sco: CO 9,3% ; O 30,3% ; N 60,4% Cuando la mzcla d gas húmdo s nfría a 1,0 bar l vapor d agua dl gas condnsa a 50ºC. Dtrminar: a) Las prsions parcials d los constituynts a 1,0 bar y 50ºC b) Si s considra qu l combustibl stá formado totalmnt por carbono hidrógno y qu l vapor d agua d los gass d la combustión procd compltamnt d la combustión dl hidrógno dl combustibl, calcular los porcntajs n masa, dl carbono hidrógno dl combustibl. RESOLUCIÓN p H O} 50ºC 0,133 bar n H O p n total x H humdad O p total x H O 0,133 1, 0,103 10,3% n H O 0,103 ( n H O + n CO + n O + n N ) 0,103 n H O + 0,103 n squdad 0,897 n H O 0,103 n squdad n H O 0,115 n squdad n humdad n H O + n squdad 0,115 n squdad + n squdad 1,115 n squdad dduciéndos las siguints prsions parcials: p CO } 50ºC n CO n humdad p total n CO 1,115 p total n squdad 0,093 x 1, 1,115 0,1 bar p O } 50ºC n O n humdad p total n O 1,115 p total 0,303 x 1, 0,36 bar n squdad 1,115 Combustión.XVI.-446
25 p N } 50ºC n N n humdad p total n N 1,115 p total n squdad 0,604 x 1, 1,115 0,65 bar o también: p N } 50ºC 1, - ( 0,1 + 0, ,36) 0,65 bar Si llamamos Y al porcntaj d la masa d carbono dl combustibl y s suministran X -mol d air por d combustibl, rsulta Y 1 C Y H + X H O + 3,76 X N a CO + b H O + c O +d N Carbono a Y/1 Hidrógno b ( 1 - Y )/ Equilibrio atómico: Oxígno X a + ( b / ) + c Nitrógno 3,76 X d p CO n CO p total n a a + b + c + d 0,1 1, 0,0834 p H O p total n H O n b a + b + c + d 0,133 0,1075 1, por lo qu: a b Y/1 ( 1 - Y )/ 0,0834 0,8117 Y 0,897 0,1075 ******************************************************************************** 8.- Una caldra quma 8 Tm/hora d ptrólo con una dosificación d 1 d combustibl por 0 d air; los gass saln d la chimna a una vlocidad d 4,5 m/sg; l coficint global d pérdidas térmicas dbido al paso d los gass a través d la chimna s d 14 Kcal/hmºC. La tmpratura dl mdio xtrior s d 0ºC. El coficint d gasto s ϕ 0,3 El pso spcífico d los gass s: γ gass 1,315 /m3 ; El pso spcífico dl air s γ air 1,88 /m3 Dtrminar, n condicions d gasto máximo: a) La altura H d la chimna y la dprsión xistnt n la misma si s supon circulación natural b) La scción transvrsal S d la chimna c) El volumn d los gass vacuados RESOLUCION a) Altura d la chimna y dprsión xistnt n la misma, si s supon circulación natural v sal 4,5 m sg h cf g H T int - T xt T xt ( con h cf n Kcal hm ºC ) Como s supon gasto máximo T int T xt x (0 + 73) 586ºK 4,5 m sg ,4 g H ,58 g H H 15,5 m Dprsión xistnt n la chimna si s supon circulación natural Dprsión natural: Δp H ( γ gass - γ air ) 15,5 x ( 1,315-1,88) m b)scción transvrsal S d la chimna G comb (1 + ε G air - G cnizas ) ϕ S H (T int - T xt ) T int 0,4185 m Combustión.XVI.-447
26 8000 ( ) hora 94 x 0,3 x S 3600 c) Volumn d los gass vacuados V humos S v 13,49 m x 4,5 m sg 15,5 ( ) 586 x 60 sg min 3645 m 3 min S 13,49 m ; d 4,14 m *************************************************************************************** 9.- Una caldra db producir /hora d vapor saturado a la prsión d 0 /cm y tmpratura d saturación T s 11,4ºC, tomando l agua d alimntación a 15ºC, y qumando hulla d potncia calorífica 7800 Kcal/, d composición: C 0,78 ; H 0,055 ; O 0,07 ; cnizas 0,07 ; humdad 0,03 El coficint d transmisión d calor para l agua s, h C agua 5000 Kcal/h.m.ºC El coficint d transmisión d calor para los humos s, h C humos 40 Kcal/h.m.ºC El coficint d conductividad dl hirro s, k 50 Kcal/m.h.ºC Espsor d la caldra, 10 mm Coficint d xcso d air, 1,4 Calor spcífico mdio d los humos, c p(humos) 0,7 Kcal/ºC Tmpratura d la sala d caldras, 0ºC Pérdidas por radiación al xtrior, d 0,1 Dtrminar a) El pso d los gass producidos por cada d carbón b) La tmpratura mdia d los gass d la cámara d combustión c) La tmpratura d los humos al principio d la suprfici d calfacción d) La cantidad d combustibl qumado por hora ) El coficint compljo U d transmisión dl calor f) La tmpratura d los gass al final d la suprfici d calfacción. g) La suprfici d calfacción RESOLUCION a) Pso d los gass producidos por cada d carbón: gass G gass 1 + 4,34 ε (,67 C + 8 H + S - O ) - G cnizas 1 + ε G air - G cnizas 1 ustibl air G air 4,34 (,67 C + 8 H + S - O ) 1 ust. 4,34 {(,67 0,78) + ( 8 0,05) + 0-0,07)} 10,47 air x x 1 ust. G gass 1 + ( 1,4 x 10,47) - 0,07 15,59 b) Tmpratura mdia d los gass d la cámara d combustión (T xt 0ºC s la tmpratura dl mdio xtrior): (1 - δ ) P c.i. (1 + ε G air - G cnizas ) c p (humos) (T caldra - T xt ) δ s l tanto por uno d las pérdidas por radiación al xtrior T caldra (1 - δ ) P c.i. ( 1 + ε G air - G cnizas ) c p(humos) + T xt (1-0,1) 7800 Kcal 1 ust. gass 15,59 x 0,7 Kcal 1 ust. gass ºC + 0ºC 1687ºC Combustión.XVI.-448
27 c) Tmpratura d los humos al principio d la suprfici d calfacción.- En sta situación no hay pérdidas por radiación: T humos P c.i. ( 1 + ε G air - G cnizas ) c p(humos) + T xt d) La cantidad d combustibl qumado por hora 15, Kcal 1 ust. gass 1 ust. x 0,7 Kcal gass ºC + 0ºC 1873ºC 00 vapor hora ( i vapor sat - i agua alimntación ) 7800 Kcal G comb η 7800 Kcal G comb (1 - δ ) 00 vapor hora ( 668,5-15) Kcal vapor 7800 ) Coficint U d transmisión dl calor (pard plana) Kcal G x 0,9 G comb 931 comb hora U h Chumos k + 1 h Cvapor , ,37 Kcal hm ºC f) Tmpratura d los gass al final d la suprfici d calfacción (A s la suprfici d calfacción). T final T sat + ( T inicial - T sat ) xp ( g) Suprfici A d calfacción - U A G air c p( humos) G comb ) 11,4ºC + ( ,4)ºC xp ( Q 00 vapor hora ( i vapor - i agua alim. ) Kcal vapor - 39,37 A ) 11, ,6 xp (- 0,01 A) 15,59 x 0,7 x ( 668,5-15) 6, Kcal hora Q U A ΔT - ΔT 1 ln ΔT ΔT 1 ΔT ,4 1661,6 ΔT 1 T final ,37 Kcal m hºc A 1661,6 - T final ,6 ln T final , Kcal hora por lo qu: T final 11, ,6 xp (- 0,01 A) 39,37 A (1676,6 - T final ) 6, (ln 1661,6 T final - 15 ) conforman un sistma d dos cuacions con dos incógnitas, cuya solución s: A 173,7 m y T final 500ºC ***************************************************************************************** 10.- En una instalación térmica s han d qumar 1,8 Tm/hora d un combustibl líquido, d composición química, C 1 H 3, n xcso d air, 1,5. Dtrminar a) La potncia calorífica suprior infrior d st combustibl b) El air ncsario para la combustión, tnindo n cunta l xcso d air. c) La scción transvrsal y la altura d la chimna qu ha d vacuar los gass d la combustión, sindo la rlación, diámtro/altura 1/0, n condicions d tiro máximo, sabindo qu la tmpratura y prsión d la atmósfra son 15ºC, y 760 mm d Hg rspctivamnt. El coficint d gasto s ϕ 0,5. RESOLUCION Combustión.XVI.-449
28 a) Potncia calorífica suprior infrior d st combustibl Potncia calorífica suprior dl combustibl: 0,86 x P 0,138 x cs 1131 Kcal Potncia calorífica infrior dl combustibl: P ci Kcal/ b) Air ncsario para la combustión, tnindo n cunta l xcso d air C 1 H ,75 O 1 CO + 11,5 H O {(1 x 1) + 3} C 1 H ,75 (16 x ) O 1 ( 1 + 3) CO + 11,5 ( + 16) H O 167 C 1 H O 58 CO + 07 H O Air( 1% O y 79% N ) ; Nitrógno Nº d O por 1 ust. : por lo qu: 79 x s a 568 como 1 s a G O 136,7 unidads n pso d N G O 3,401 1 air s a 0,1 k O G como G air s a 3,401 air 16,196 air O Como hay un xcso d air (1,5) srán ncsarios, 16,196 x 1,5 4,3 air por 1 ustibl. c) La scción transvrsal y la altura d la chimna qu ha d vacuar los gass d la combustión, sindo la rlación, diámtro/altura 1/0, n condicions d tiro máximo, sabindo qu la tmpratura y prsión d la atmósfra son 15ºC, y 760 mm d Hg rspctivamnt. El coficint d vlocidad s, ϕ 0,5. G comb ( 1 + ε G air - G cnizas ) ϕ S H ( T int - T xt ) T int T int T xt ( ) 576 ºK ; T xt 88ºK 1800 ( /hora ) ( 1 + 4,3-0) x 0,5 S H ( ) 576 S H 18,7 π D H 18,7 4 D H 1 0 H 0 D π D 4 0 D 18,7 D 1,934 m H 0 D 38,7 m *************************************************************************************** 11.- Un hidrocarburo líquido tin la siguint composición química n masa, C 84,7% ; H 15,5%, y s l hac ardr, inyctándol n un hogar d una caldra, con un 50% d xcso d air. Dtrminar a) La composición química d los humos producidos b) La potncia calorífica suprior infrior d st combustibl c) Cómo variará l podr calorífico suprior, si la humdad dl combustibl aumnta hasta l 1%? d) Si los humos producidos tinn una tmpratura d 80ºC cuando s ls introduc n la chimna, y s sab qu l coficint d gasto d la misma s ϕ 0,, cuál srá la rlación qu dbrá xistir ntr la scción transvrsal S d la chimna, y su altura H, sabindo qu la tmpratura dl mdio ambint s d 0ºC? Combustión.XVI.-450
29 RESOLUCION a) Composición química d los humos producidos gramos d hidrocarburo s componn d: 84,7 1 7,05 mols d C ; 15,3 7,65 mols d H Ecuacions d la combustión: C + O CO H + 1 O H O La combustión tórica d gr d hidrocarburo ncsita: Para l C: 7,05 mols d O producn 7,05 mols d CO Para l H : 7,65 mols d O producn 7,65 mols d H O por lo qu s ncsario utilizar. 7,05 + 3,85 10,875 mols d O, lo cual supon qu n los humos habrá un contnido d N dado por: 10,875 x ,91 mols d N Como la combustión s raliza con un 50% d xcso d air, rsulta qu: Air: Oxígno: 10,875 x 0,5 5,437 mols qu pasan a los humos Nitrógno: 40,91 x 0,5 0,455 mols qu habrá qu sumar a los 40,91 61,36 mols Los porcntajs d humos húmdos d la combustión ral d gramos d hidrocarburo son: Composición n volumn d los humos: D otra forma: C x 84,7 H y 15,3 C x + H y CO 7,05 mols CO 7,05/81,505 8,65% O 5,44 mols O 5,44/81,505 6,67% H O 7,65 mols H O 7,65/81,505 9,38% N 61,365 mols N 61,35/81,505 75,3% 1 x + y x 7,058 y 15,3 Fórmula aproximada, (C 7,05 H 15,3 ) n ó C 1 H 6 CO 1,87 C 1, 583 m 3 O mín 1, 87 C +5,6 H, 44 O comb O n xcso (ε - 1) O mín 0, 5 x,44 1, H O 11, H 1,713 m 3 ; Composición n volumn d los humos: CO 1, , 76 m 3 ; Comp. n vol. humos: O m 3 ; Composición n volumn d los humos: H O 1,713 18, 76 N 79 1 O 13,76 m 3 ; Composición n volumn d los humos: N 13, 76 18, 76 x 8,65% 1, 18, 76 x 6,67% x 9,38% x 75, 3% Humos 18,76 m 3 b) Potncia calorífica suprior infrior d st combustibl: P c.sup 8080 C H S Como la fórmula aproximada s C 1 H 6, tndrmos, para 1 mol: C 1 x gramos/mol ; H 6 gramos/mol ; Total, 170 gramos/mol por lo qu: C x ,847 ; H x , Combustión.XVI.-451
30 P c.sup (8080 x 0,847) + (34450 x 0,153) 1115 Kcal P c.inf P c.sup - {(9 x H x ) + w} x {(9 x 0,153) + 0} x Kcal c) Variación dl podr calorífico suprior, si la humdad dl combustibl aumnta hasta l 1% Composición química con 1% d humdad: P c.sup 1115 x 1-0, Kcal P c.inf 1193 x 0, Kcal C 84,7% x 0,88 74,536% H 15,37% x 0,88 13,464% Humdad: 1% un total dl % d) Si los humos producidos tinn una tmpratura d 80ºC cuando s ls introduc n la chimna, y s sab qu l coficint d gasto d la misma s ϕ 0,, cuál srá la rlación qu dbrá xistir ntr la scción transvrsal S d la chimna, y su altura H, sabindo qu la tmpratura dl mdio ambint s d 0ºC? G air 4,3 {(,67 x 0,847) + ( 8 x 0,153)} x 1,5,69 air G comb ( 1 + ε G air - G cnizas ) ϕ S H ( T int - T xt ) T int G comb ( 1 +,69-0 ) x 0, S H ( 80-0) 80 0,01 G comb S H sindo G comb l nº d /hora a qumar. ***************************************************************************************** Combustión.XVI.-45

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