TECNOLOGÍA DEL CALOR COMBUSTIÓN DEFINICIONES BASICAS Mol: La masa de cualquier sustancia puede expresarse por medio del numero de moles definido como: ni [Kgm ol] siendo: mi [Kg.] PM i [ Kg. Kgm ol] ni: Numero de moles de la sustancia [gmol, Kgmol, etc. ] mi : Masa de la sustancia [gr., Kgr., etc] PMi: Peso molecular de la sustancia [gr./gr mol, Kg/Kgmol, etc] Fracción molar: Es la relación existente entre el número de moles de la sustancia particular y el número de moles totales de todas las sustancias que forman la mezcla homogénea que contiene a la sustancia particular. Se aplica a mezclas gaseosas, por ejemplo: el aire, el gas natural, vapores multicomponentes, etc.. La fracción molar es equivalente a la fracción volumétrica yi [Adim .] ni [Kgm ol] nt [Kgm ol] Se deduce fácilmente la relación entre la fracción molar y la presión parcial por medio de la ecuación de estado P V nt R T (paratodala mezcla)(1) Recordando que se define a presión parcial pi como la presión que ejercería el componente si el solo ocupara todo el volumen “Dalton”. pi V ni R T (parael componentei) (2) Dividiendo (2) por (1) p i V ni R T p n i i yi P V nt R T P nt y i P pi fracciónmolarx presióntotal presión parcial -1- Peso Molecular de una mezcla gaseosa El peso molecular de una mezcla gaseosa puede calcularse conociendo la fracción volumétrica o molar de sus componentes, así para el caso del aire seco se puede suponer (a los efectos de cualquier calculo de ingeniería), que esta formado por Nitrógeno (N2) y Oxígeno (O2) con la siguiente composición: % N2 = 79 0,79 VN2/Vaire x 100 % O2 = 21 0,21 VO2/Vaire x 100 que expresada como fracción molar es: y N2 = 0,79 moles de N2 / moles de aire y O2 = 0,21 moles de O2 / moles de aire El peso molecular del aire se podrá calcular como: PM aire y N 2 PM N 2 yO2 PMO2 siendo : PM N2 2 peso atómicodel N 2 2 14,006 28 Kg/Kgmolde N 2 PM O2 2 peso atómicodel O2 2 15,999 32 Kg/Kgmolde O2 PM aire 0,79 28 0,21 32 PM aire 28,85Kg/Kgmolde aire Para cualquier otro gas se deberá conocer su composición volumétrica para calcular su peso molecular. Composición en peso del aire Si bien no es necesario por el momento su conocimiento, su calculo es el siguiente: Masa correspondiente a un (1) mol de aire = 28,85 Kg. Masa correspondiente a un (1) mol de N2 = 28,012 Kg. para 0,79 moles = 22,13 Kg. Masa correspondiente a un (1) mol de O2 = 31,998 Kg. para 0,21 moles = 6,72 Kg. % N2 p/p = (22,13 / 28,85) x 100 = 77 % o 0,77 Kg de N2 / Kg de aire % O2 p/p = (6,72 / 28,85) x 100 = 23 % o 0,23 Kg de O2 / Kg de aire -2- COMBUSTIBLES empleados comúnmente Estos pueden clasificarse en naturales y artificiales, entre los primeros tenemos a los combustibles fósiles antracitas, hullas, lignitos, etc; el petróleo y el gas natural. La mayoría de los combustibles artificiales se producen partiendo de los naturales a través de distintos procesos de elaboración (coque, briquetas); todos los derivados del petróleo (naftas, kerosén, gas oil, fuel oil, etc) y finalmente los gases manufacturados (gas licuado de petróleo GLP, gas de alumbrado, gas pobre, etc). Según su estado físico en condición ambiente, se han clasificado en sólidos, líquidos y gaseosos. Dentro de los combustibles sólidos se encuentran muchas clases de carbón, este se origino a partir de los restos en descomposición de árboles, helechos, arbustos, etc., que florecieron en lodazales y pantanos enormes hace millones de años, durante periodos prolongados de clima húmedo y tropical con lluvias abundantes. El precursor del carbón fue la turba, que se formo mediante la acción bacteriana y química sobre los desechos de plantas, las acciones subsiguientes del calor, la presión y otros factores convirtieron a la turba en carbón que por supuesto, no es una sustancia uniforme. El carbón se clasifica entonces por su poder calorífico, la naturaleza de aglomeración, el porcentaje de carbono (% C), y el porcentaje de materia volátil, la humedad, las cenizas, el contenido de azufre, etc., en cuatro clases principales: ANTRACITAS, CARBONES BITUMINOSOS, SUBBITUMINOSOS y LIGNITOS. Otras propiedades o características importantes en los carbones es la fusibilidad de las cenizas que pueden fundirse o sinterizarse sobre la superficie de transferencia y secciones de flujo impidiendo una transferencia eficiente de calor; el índice de molibilidad, que permite determinar (facilidad para moler el carbón, dureza, resistencia a la fractura y a la tensión). Dentro de los combustibles sólidos artificiales, se puede nombrar el coque que es el material infusible, sólido y celular que queda después de la carbonización del carbón, alquitrán, residuos de petróleo y varios otros materiales carbonosos. Se identifica agregándole una palabra para indicar su origen como por ejemplo coque de petróleo, que es una mezcla de hidrocarburos. El proceso con el cual se obtiene, puede ser resumido por el enunciado de los cambios químicos: descomposición térmica, la despolimerización, la polimerización y la condensación. Otros combustibles sólidos pueden ser cortezas, bagazos, residuos, etc.. Los principales combustibles líquidos se hacen mediante la destilación fraccionada del petróleo crudo, que es una mezcla de hidrocarburos y derivados de ellos, con un peso molecular que va desde el metano CH4 hasta el betún pesado (brea), pueden contener azufre en grandes cantidades, nitrógeno, oxigeno, vanadio, níquel o arsénico. Por lo cual el crudo se somete a la -3- desulfuración, la hidrogenación, la descomposición térmica (cracking), a un peso molecular más bajo y otros procesos de refinación antes de mezclarse y venderse como combustibles. Para su clasificación se utilizan tres parámetros: el intervalo de ebullición (rango de temperaturas), la densidad expresada en º API, y la viscosidad cinemática. QUE SON LOS GRADOS API (ºAPI)? Muchas de las ilustraciones, gráficos y problemas a encontrar se refieren a líquidos derivados del petróleo, ya que la refinación de este ultimo es de principal importancia para las industrias de generación de energía y las petroquímicas donde se obtienen derivados de importancia estratégica. El petróleo es una mezcla de gran variedad de compuestos químicos. Algunos se pueden aislar fácilmente, pero muy frecuentemente no hay necesidad de obtenerlos ya que el uso de una mezcla de los mismos tiene el mismo efecto o resultado que la utilización de compuestos puros. Así los aceites lubricantes son una mezcla de compuestos con alto peso molecular, todos ellos apropiados como lubricantes. Similarmente la gasolina, que en ultima instancia se quema, estará compuesta de cierto numero de compuestos volátiles combustibles. Todos estos productos estaban presentes en el petróleo crudo cuando se extrajo de la tierra o se formaron por reacciones subsecuentes y se separaron por destilación. Cuando se habla de ellos en un proceso o se venden como mezclas, estos productos se llaman fracciones o cortes. A estos se les dan nombres comunes o se denotan por una operación de la refinería por la cual se producen, y su gravedad especifica se define por una escala establecida por el American Petroleum Institute, y se les llama, ya sea grados API o º API. Los º API se relacionan con la gravedad especifica según: API 141,5 131,5 gr.esp.a 60F/60F Debido a que las fracciones de petróleo son mezclas de compuestos, no hierven isotermicamente como sucede con los líquidos puros, sino que tienen rangos de ebullición característicos. A presión atmosférica, la temperatura menor a la que empieza la ebullición del liquido, se llama punto de ebullición inicial (PEI º F). A continuación se da una lista de las fracciones más comunes del petróleo crudo. Fracciones del petróleo crudo º API (aproximados) PEI º F (aproximado) CABEZAS LIGERAS Y GASES 114 GASOLINA 75 200 NAFTA 60 300 KEROSÉN 45 350 ACEITE PARA ABSORCIÓN 40 450 STRAW OÍL 40 500 DESTILADO 35 550 GASOIL 28 600 ACEITE LUBRICANTE 18-30 CRUDO REDUCIDO PARAFINA FUEL OÍL 25-30 ASFALTO Recordar ºC/100 = (ºF-32)/180 ºC = 0,555 x ºF – 17,777 -4- 500 El contenido de hidrogeno en los combustibles de petróleo se correlaciona aproximadamente con la gravedad especifica y se puede calcular como sigue: H 26 - 15 gr. esp.a 60F/60F La anterior posee un error de 1 % para líquidos que no contengan S, H 2O y cenizas. H = porcentaje de H2 gr. esp. a 60 ºF/60 ºF = gravedad especifica Otras propiedades importantes a determinar en un combustible líquido son: Punto de inflamación, poder calorífico, relación viscosidad – temperatura, punto de fluidez, dilatación térmica, calor especifico y conductividad térmica y consideraciones de seguridad de transporte y almacenaje. Entre los combustibles líquidos no derivados del petróleo, se pueden citar combustibles de alquitrán de carbón, aceites crudos sintéticos por hidrogenación, alcoholes, aceites vegetales, etc. Entre los combustibles gaseosos, el gas natural se considera como una mezcla natural de hidrocarburos y no hidrocarburos asociados con formaciones geológicas petrolíferas, consistente principalmente en metano (CH4), con cantidades pequeñas de etano (C2H6) y otros hidrocarburos más pesados y con ciertos constituyentes no combustibles, tales como el dióxido de carbono, nitrógeno y helio, el gas natural se puede clasificar en húmedo y seco según el contenido en vapor de gasolina, usándose el termino de “oloroso” o “rancio” para indicar presencia de sulfuro de hidrogeno (SH2). Es importante el conocimiento de las propiedades de gas entre las que se encuentran el poder calorífico, densidad, presión de vapor, calor de vaporización, calor especifico, etc. El gas natural se puede licuar para obtener GNL, la temperatura critica del metano es de –82,4 ºC y la presión critica es de 45,8 atmósferas, siendo el calor de vaporización de 122 Kcal/Kg (a 1 atm). Otro combustible gaseoso es el gas licuado de petróleo GLP, este termino se aplica a ciertos hidrocarburos específicos que se pueden licuar a presiones moderadas y temperaturas normales, pero que son gaseosos en condiciones atmosféricas normales. Los principales constituyentes son: propano, polipropileno, butano, butileno, isobutano, que son hidrocarburos mas pesados o densos que los constituyentes del gas natural. Si el GLP es obtenido de gas de refinería tiene cantidades bajas de olefinas (hidrocarburos insaturados). Este gas se utiliza mucho para servicio domestico y se proporciona en tanques o garrafas, o mediante líneas de tuberías. Son combustibles limpios apropiados para todos los servicios. Se pueden nombrar también combustibles como el gas reformado, los gases de aceites, el gas pobre formado por CO, N2, -5- pequeñas cantidades de H2 y cierta cantidad de CO2 (poder calorífico bajo) (1130 a 1335 Kcal/Nm3); gas de hornos de fundición, acetileno, hidrogeno, etc. COMPOSICIÓN DE LOS COMBUSTIBLES MÁS UTILIZADOS COMO FRACCIÓN EN PESO DE LOS ELEMENTOS CONSTITUYENTES Combustibles líquidos Combustible Gravedad especifica º API Carbono Hidrogeno Oxigeno Nitrógeno Azufre Inertes FpC FpH FpO fpN FpS fpI Gas Oil 0,845 36 0,868 0,1308 0,00025 0,000045 0,0009 0,00001 Fuel Oil Diesel 0,882 30 0,870 0,1170 0,00027 0,0024 0,0077 0,0002 Fuel Oil 0,960 15 0,8726 0,1094 0,0064 0,0028 0,0084 0,0004 Datos extraídos de: “Calderas Marinas” de la Armada Nacional provenientes de Yacimientos Petrolíferos Fiscales, en el mismo pueden encontrarse las composiciones de los combustibles sólidos más utilizados. Combustibles Gaseosos La composición de este tipo de combustibles se obtiene generalmente en forma volumétrica, por ejemplo, según la información del libro “Química Industrial del Dr. Carlos Gini Lacorte Ed. El Ateneo, pagina 112 cap IV, la composición del gas natural es la siguiente: Componente Formula Kg C / comp. Kg comp. Kg H / Kg comp. Fracción Volumétrica m3comp./ m3GN Densidad Kgcomp./N m3comp. Kg C / m3 G.N Kg H / m3 GN Kg N / m3 G.N fpvC fpvH fpvN Metano CH4 0,7487 0,2513 0,847 0,6790 0,4306 0,1445 0,0000 Etano C2H6 0,7989 0,2011 0,094 1,2859 0,0965 0,0243 0,0000 Propano C3H8 0,8171 0,1829 0,030 1,9153 0,0496 0,0105 0,0000 Butano C4H10 0,8265 0,1735 0,013 2,5335 0,0272 0,0057 0,0000 Nitrógeno N2 0,0000 0,0000 0,016 1,1914 0,0000 0,0000 0,01906 0,6033 fpvC 0,1850 fpvH 0,01906 fpvN Gas Natural Esto se calcula de la siguiente manera: el CH4 cuyo peso molecular es 16,041 Kg/Kgmol esta compuesto por un átomo de C (carbono), que contribuye con 12,01 Kg y por cuatro átomos -6- de H (hidrogeno), que contribuyen con 4,032 Kg, por lo cual las fracciones en peso de sus componentes en el metano, serán: 12,01 Kg de C/16,041 Kg de CH4 = 0,7487 Kg C/Kg CH4 4,032 Kg de H/16,041 Kg de CH4 = 0,2513 Kg H/Kg CH4 fracción volumétrica m3 comp. / m3 GN x densidad Kg comp./m3 comp. = fracción peso en volumen del componente por ejemplo: 0,847 m3 CH4 /m3 GN x 0,6790 Kg CH4 /m3 CH4 = 0,5751 Kg CH4 /m3 GN por lo cual la cantidad de carbono aportada por el metano al GN es: (fracción de C aportada por el metano) 0,5751 Kg CH4/m3 GN x 0,7487 Kg C/ Kg CH4 = 0,4306 Kg C/m3 GN (fracción de H aportada por el metano) 0,5751 Kg CH4/m3 GN x 0,2513 Kg H/ Kg CH4 = 0,1445 Kg H/m3 GN Sumando todos los aportes correspondientes, se obtiene: la masa total de carbono; de hidrogeno y de cualquier otro componente, por unidad de volumen de combustible gaseoso. COMBUSTIÓN En 1774, Antoine Laurent Lavoisier cayo en cuenta de que la aparente desaparición de materia en las llamas era mera ilusión, el demostró que a altas temperaturas, un componente invisible del aire (que más tarde se llamaría oxígeno) reaccionaba químicamente con la materia (oxidación), proporcionando calor y varios productos de la reacción llamada combustión. Esta idea todavía sirve para definir un combustible: sustancia que puede participar en una reacción exotérmica (liberadora de calor), con oxígeno. En los últimos años este tipo de reacciones han adquirido una significación adicional: la reserva limitada de combustibles de bajo costo y los efectos perjudiciales que algunos productos de la combustión inducen en el medio ambiente y la salud humana. El objetivo que el hombre necesita alcanzar por medio del estudio de los productos obtenidos y sustancias que aparecen transitoriamente en el proceso de quemado es antiguo y se refiere a como quemar un combustible de la manera más barata, más eficiente, más completa y más limpia posible. Para empezar a comprender este fenómeno estudiaremos a las reacciones de combustión desde un punto de vista estático, pensando que las reacciones intervinientes en el proceso son -7- irreversibles, sin formación de compuestos intermedios y que no son afectadas por factores externos como la presión, temperatura, etc.. ESTEQUEOMETRIA DE LA COMBUSTIÓN Para el caso de combustiones producidas en quemadores de hornos y calderas, con combustibles sólidos, líquidos o gaseosos; los elementos que se oxidan son el Carbono (C), el Hidrogeno (H) y el Azufre (S). Según la temperatura y el exceso de aire existente en la cámara de combustión también podría oxidarse el Nitrógeno (N), reacción que no incluiremos en este estudio. REACCIONES DE COMBUSTIÓN DEL CARBONO El carbono puede oxidarse en forma completa C + O2 CO2 + 97800 Kcal. 1 Kgmol de C + 1 Kgmol de O2 1 Kgmol de CO2 12,011 Kg de C + 31,998 Kg de O2 44,009 Kg de CO2 O sea que para combustionar el carbono en forma completa con una producción de 97800 Kcal cada 12,011 Kg de C, o 8142,5 Kcal/Kg de C. Se requieren: 31,998Kg de O2 2,66 Kg de O2 Kg de C 12,011Kg de C Produciéndose: 44,009Kg de CO2 3,66 Kg de CO2 Kg de C 12,011Kg de C Si la oxidación se produce en forma incompleta 2 C + O2 2 CO + 58560 Kcal. 2 Kgmol de C + 1 Kgmol de O2 2 Kgmol de CO 24,022 Kg de C + 31,998 Kg de O2 56,020 Kg de CO Se requieren: 31,998Kg de O2 1,33 Kg de O2 Kg de C 24,022Kg de C Produciéndose: 56,020Kg de CO 2,33 Kg de CO Kg de C 24,022Kg de C -8- En este ultimo caso se liberaran 58560 Kcal/24,022 Kg de C o sea 2437,7 Kcal/Kg de C 2437,7 / 8142, 5 = 0,299 = 30 % SE LIBERA SOLO EL 30 % DE LA ENERGÍA QUE PODRÍA APORTAR LA REACCIÓN COMPLETA REACCIÓN DE COMBUSTIÓN DEL HIDRÓGENO REACCION DE COMBUSTIÓN DEL HIDROGENO La reacción de combustión del hidrogeno tiene como producto el agua, esta sustancia puede tomarse como vapor o como líquido afectando la energía liberada por la reacción ya que en segundo caso dicha energía debe contemplar el calor latente de vaporización 2H2 + O2 2H2O + 115680 Kcal. 2 Kgmol de H2 + 1 Kgmol de O2 2 Kgmol de H2O 4,032 Kg de H + 31,998 Kg de O2 36,030 Kg de H2O Se requieren: 31,998Kg de O2 7,936 Kg de O2 Kg de H 2 4,032Kg de H 2 Produciéndose: 36,030Kg de H 2 O 8,936Kg de H 2 O Kg de H 2 4,032Kg de H 2 115680Kcal 28690,5Kcal Kg de H 2 4,032Kg de H 2 REACCIÓN DE COMBUSTIÓN DEL AZUFRE Si bien es un compuesto indeseable en todo combustible su presencia en los combustibles fósiles sobre todo los sólidos y líquidos es una constante. S + O2 SO2 + 70954 Kcal. 1 Kgmol de S + 1 Kgmol de O2 1 Kgmol de SO2 32,064 Kg de H + 31,998 Kg de O2 64,062 Kg de H2O Se requieren: 31,998Kg de O2 0,998Kg de O2 Kg de S 32,064Kg de S -9- Produciéndose: 64,062Kg de SO2 1,998Kg de SO2 Kg de S 32,064Kg de S 70594Kcal 2213Kcal Kg de S 32,064Kg de S NOTA: los números en negrita se denominan constantes estequeométricas PODER CALORIFICO DE UN COMBUSTIBLE Se denomina así a la cantidad de calor que se obtiene mediante la combustión completa de la unidad de masa o volumen de un combustible, quedando los productos de combustión a la temperatura a que se encontraban inicialmente el combustible y el comburente. Es decir que el poder calorífico no es otra cosa que el calor de la reacción de combustión realizada a temperatura constante. Por otra parte, todos los combustibles convencionales contienen H2O en cierta proporción fpH2O o fpvH2O y además uno de sus elementos componentes es hidrogeno fpH2 o fpvH2, que al combustionarse originara agua en los productos. Según las condiciones en las que se realice la combustión, puede ocurrir que todo el agua que integre los productos de combustión quede como vapor; quede como líquido o quede parcialmente vaporizada; en cada uno de los casos la cantidad de calor obtenida será diferente y se tendrán infinitos poderes caloríficos, conjunto que tendrá dos valores extremos a saber: Poder calorífico superior (Pcs): Corresponde al caso en que toda el H2O producto de la combustión queda como líquido. Poder calorífico inferior (Pci): Corresponde al caso en que toda el H2O producto de la combustión queda como vapor o en fase gaseosa. La diferencia entre los dos poderes caloríficos superior e inferior, no es otra cosa que el calor latente de vaporización del agua presente en los productos de la combustión Pcs - Pci r fpH2 O 8,963 fpH2 En donde: r: Calor latente de vaporización del agua [Kcal/Kg de H2O] [KJ/Kg de H2O ] fpH2O: fracción en peso de agua por unidad de masa de combustible. [Kg de H2O/Kg. de combustible] fpH2: fracción en peso de hidrogeno por unidad de masa de combustible. [Kg de H/Kg. de combustible] - 10 - 8,963 Kg de H2O/Kg de H: constante estequeométrica H2 + ½ O 2 H2O 2,016 Kg de H originan 18,015 Kg de H2O entonces se tiene la relación: 18,015/2,016 Kg de H/Kg de H 2O = 8,963 Kg de H2O/Kg de H En algunos textos se definen también a los poderes caloríficos divididos en húmedos y secos, los húmedos consideran al agua que acompaña al combustible (fpH2O en el caso observado), mientras que los secos no consideran la misma, solo tienen en cuenta la producida por la reacción. Discusión de los distintos poderes caloríficos Extraído de “Motores de Combustión Interna” Miguel Lo Presti Ed. Gustavo Gili Al considerar los diversos combustibles que se adoptan para crear trabajo en los motores, combustibles que pueden ser gaseosos o líquidos pero que de todos modos son siempre utilizados en forma gaseosa o pseudo gaseosa, la primera característica que hay que especificar es la cantidad de calor en calorías, que una unidad de peso o volumen es capaz de desarrollar cuando se quema completamente en el oxígeno o en el aire. Esta cantidad o sea el número de calorías que un kilogramo o un metro cúbico de un sistema considerado produce con su combustión completa se llama poder calorífico. Es una cantidad bien definida característica para cada combustible y medida perfectamente por medio de calorímetros. Como cantidad absoluta, el poder calorífico tiene un valor único, pero en la consideración que de el se hace al aplicar el combustible en los motores se presentan graves divergencias de interpretación, de las que es preciso hacer un sereno examen. Hemos visto que la combustión de un hidrocarburo (y tales son casi siempre los combustibles de los motores que nos ocupan) da lugar, como productos finales esencialmente a agua y anhídrido carbónico. El poder calorífico, en el sentido científico antes descrito, comprende naturalmente, todas las calorías disponibles por el hecho mismo de la combustión. Esto equivale a suponer, como ocurre en los experimentos necesarios para su determinación, que al terminar la operación los gases se hallan a 0 °C y 760 mm de Hg, o sea el agua formada en el estado de vapor se condensa. Si por particulares exigencias de la práctica, esto no ocurre, o sea, si el agua es lanzada a la atmósfera en estado de vapor (supongamos a 100 °C), las calorías correspondientes a su vaporización se deben considerar como pérdidas y el poder calorífico a los efectos prácticos disminuido en ellas. Esto equivale a decir que para un combustible que no contiene hidrógeno su poder calorífico es único, pero en los hidrocarburos, entre cuyos productos de la combustión figura el agua, aunque su poder calorífico es único científicamente hablando, a los efectos prácticos debe ser considerado de dos modos distintos, según se tenga en cuenta o no el calor de condensación. En física se ha convenido en llamar poder calorífico superior al verdadero, e inferior al obtenido al restarle las calorías de condensación Llamando: Pc Podercaloríficosuperioro verdadero pc Caloriasde condensación Pc' Podercaloríficoinferior - 11 - Se tendrá: Pc' Pc pc Cualquiera sea el organismo motor, cualesquiera sean las formas prácticas que la técnica haya dado al mecanismo de transformación de calor en trabajo, se comprende que el rendimiento térmico de este organismo debe ser proporcional a la relación entre el trabajo obtenido en el ciclo (que llamamos “indicado”) y el correspondiente a las calorías del combustible, que es función de su poder calorífico. Así pues el rendimiento es una función de una fracción en cuyo numerador figura el trabajo indicado y en el denominador el poder calorífico o una función de este En los motores de combustión, los gases quemados provenientes de hidrocarburos abandonan el organismo motor a temperatura superior a 100 °C, por lo que el agua figura en estado de vapor, y se nos presenta el importante dilema de si al definir el rendimiento térmico se debe poner en el denominador el poder calorífico superior o inferior. La diferencia no es pequeña y alcanza a centenares de calorías, así en el hidrógeno puro los dos poderes caloríficos son de 34500 y 28819 calorías. Las opiniones sobre este punto no son acordes ni mucho menos. En realidad es mejor decirlo la discusión tiene puro valor académico y formal. Se presenta únicamente cuando se quiere asignar a un motor de combustión dado el valor de rendimiento térmico definido como queda dicho, o sea referido al trabajo indicado. No debemos olvidar que desde el punto de vista científico, el poder calorífico es uno solo “el superior”, la consideración del inferior es puramente convencional y sirve para conocer a priori, en los motores, que evacuan agua a la atmósfera sin previa condensación, cuales son los cambios efectivos con que se puede contar para el desarrollo de trabajo. En otros términos, en el calculo del motor se parte del poder calorífico inferior por ser el utilizable, la cuestión cambia de aspecto como ya veremos cuando, considerado más atentamente el fenómeno físico, se aprecie que el desarrollo de trabajo lo determina no el poder calorífico, sino otra característica del combustible que más exactamente se relaciona con el valor energético de la mezcla de combustible y aire. Como hemos dicho al considerar los dos poderes caloríficos, puede cambiar la clasificación de un motor desde su punto de vista del rendimiento térmico requerido, si se considera uno u otro poder calorífico, o sea si se considera en el capitulo entradas del motor toda la energía que la unidad de combustible posee como sustancia dotada de energía potencial, o bien se considera esta energía ya previamente depurada de la cantidad que se sabe será perdida en la evacuación. Este ultimo modo de computar el rendimiento térmico es ciertamente favorable al motor de combustión, desde el punto de vista de la que llamaremos aptitud de aprovechar las energías del combustible. Este razonamiento fue el adoptado por los autores del motor de combustión cuando, en sus primeros tiempos, inicio la lucha contra la máquina entonces imperante la de vapor alternativa. Contra este modo de considerar las cosas indudablemente interesado, surgieron las opiniones de otros autores que aun ocupándose con cariño del joven motor, quisieron conservarse completamente imparciales en la apreciación de sus cualidades intrínsecas. Es interesante citar, con este motivo las observaciones que hace Witz, quien sostiene con toda imparcialidad, que se debe considerar el poder calorífico superior y no el inferior al determinar el rendimiento térmico de un motor de gas. Witz dice que el poder calorífico de un combustible es una cantidad físicamente única y debida a cualidades internas del mismo, así que el poder calorífico verdadero es el superior es el que se obtiene en las determinaciones de laboratorio, mientras que para el inferior nosotros aplicamos una corrección. Considera incorrecto descontar a priori el calor latente de condensación en los motores de combustión interna, mientras que a las máquinas de vapor se las carga en el pasivo. La comparación es esta forma no puede ser imparcial y el considerar el poder calorífico inferior es; según Witz, inclinar la balanza de un lado. Por ultimo rebatiendo la objeción de que los gases de escape salen del motor a una temperatura que no permite la condensación del vapor de agua, dice que esto es debido a la naturaleza del mismo motor, por lo que este debe cargar con las consecuencias, como carga con ellas la máquina de vapor de escape libre (sin condensación). Si el motor fuera capaz, dotándole de condensador y haciendo una compresión isotérmica, de utilizar las calorías de condensación, podría recobrar lo que pierde por razones de su propias constitución. Esta discusión es realmente interesante y no hay dudas que las consideraciones de Witz son atinadas. Por lo demás, ha perdido hoy mucho de su interés, ya que la guerra entre motores de combustión y máquinas de vapor alternativas a quedado anticuada, no por el progreso de los primeros y su generalización, sino por el golpe que a la vieja y gloriosa máquina de vapor alternativa le ha dado otro adversario, la turbina de vapor, cuyas condiciones de superioridad incluso sobre los motores de combustión lleva a los inventores en pensar en la turbina de combustión interna. - 12 - Bien lejos de nosotros la idea de explayarnos en esta discusión descentrada por su poca actualidad, y en este lugar poco adecuado. Sin embargo, convenientemente ha sido recordarla, más que nada para fijar el concepto de que para determinar el rendimiento es justo referirse al poder calorífico superior. Pero al calcular de que cantidad de energía disponemos en el interior del motor, habrá que considerar el poder calorífico inferior. Sea como fuere, la consideración del poder calorífico de un combustible (cualquiera de los dos), no nos da un criterio exacto sobre la bondad o capacidad en calorías, ya que el organismo motor introducimos una mezcla de aire y combustible cuyas características son las únicas que debemos tener en consideración. Es interesante preguntarse que poder calorífico se deberá utilizar como base de calculo para establecer el rendimiento térmico de un caldera u horno de proceso. El poder calorífico inferior presenta la ventaja de reproducir las condiciones de operación que se encuentran en todos los aparatos de combustión industriales, es decir en la combustión, el agua desprendida por el combustible y el que acompañaba al mismo, al estado de vapor que descarga por la chimenea de gases se encuentra a presión atmosférica, por lo tanto la cantidad de calor transportada por el vapor no es utilizable. Se observa que como la determinación del rendimiento de una caldera es una operación térmica, lo lógico será relacionar el calor utilizado al máximo disponible, suponiendo completa la combustión, sin pérdidas de calor al exterior, tal como se verifica en el obús calorimétrico, en el cual la combustión se realiza con un rendimiento del = 100 % De adoptarse el poder calorífico inferior para los cálculos de balance térmico en el obús calorimétrico, la combustión tendría un valor 100 %, lo que resulta ilógico. Como en el balance térmico se considera como limite inferior la del ambiente, y se calcula la perdida por calor sensible de los gases a partir de la misma, no se justifica se proceda en forma distinta para el calor latente del vapor de agua contenido en esos mismos gases. El hecho de que en algunas de las calderas actuales no se pueda utilizar hasta la temperatura ambiente, el calor del vapor de agua producido al quemarse el combustible, no parece un argumento suficientemente sólido para que el rendimiento no se refiera al Pcs (se recuerda que en algunas calderas el calor latente de vaporización se recupera de los gases de combustión). En contra de la adopción del Pcs se alega que implica una perdida térmica suplementaria (menor rendimiento de combustión), para las combustiones hidrogenadas, debido al calor latente de vaporización del vapor de agua formado, perdida que no aparece en las combustiones constituidas solamente por carbono. Mientras que si se considera el Pci, los rendimientos serian comparables al eliminarse de antemano esta perdida. Pero según esto, también habría que considerar que la combustión y la transmisión de calor no varían según la composición elemental de los mismos, cosa que no es cierta al tener en cuenta las condiciones de quemado. - 13 - La utilización del Pcs o Pci será aclarada cuando se calcule el rendimiento térmico de un horno o una caldera. Determinación del Poder Calorífico El poder calorífico de un compuesto químico resulta igual a la suma de los calores de formación de los componentes (CO2, H2O, SO2, CO), menos el calor de formación del compuesto cuando este es exotérmico o más cuando este es endotérmico. El calor de formación de los compuestos es impreciso, por cuanto al descomponer la molécula de los mismos se requiere una cantidad de calor positiva o negativa, que no siempre resulta posible de deducir exactamente, por cuanto el calor de combustión de los elementos no es el mismo que cuando se hallan en combinación, como se encuentran en los combustibles. Por esta razón tampoco resulta posible deducir exactamente el valor en los combustibles líquidos y sólidos, valiéndose del análisis elemental y de los poderes caloríficos del carbono, hidrogeno y azufre. El valor exacto se obtiene únicamente por medio del ensayo del obús calorimétrico. Sin embargo, como los calores de disgregación de los compuestos, especialmente de los hidrocarburos, son generalmente muy pequeños en comparación con el poder calorífico, pueden obtenerse resultados muy aproximados por las fórmulas de combinación: en Kcal/Kg. Pcs = 8100 C + 34400 (H - O/8) + 2250 S (Formula de la American Society of Mechanical Engineers) Pci = 8100 C + 29000 (H - O/8) + 2250 S - 600 A. (Asociación de Ingenieros Alemanes) Pci = 8080 C + 29060 (H - O/8) + 2500 S -600 A. (Asociación de vigilancia de calderas) Pcs = 8150 C + 34000 (H - O/8) + 2165 S Pci = 8150 C + 28630 (H - O/8)) + 2165 S - 600 A en BTU/lb Pcs = 13500 C + 60890 H (Formula de Inchley) Pcs = 17687 + (57,9 . ºA.P.I.) (Formula utilizada por la U.S. Navy) Pcs = 1,8 (12400 - 2100 2) (Formula del Bureau of Standars U.S., siendo : peso especifico del petróleo a 60ºC Pcs= 18650 + 40 . (ºA.P.I. -10) (Formula de Haslam y Russel) Temperatura adiabática de llama La temperatura adiabática de llama es la temperatura máxima teórica que podría ser alcanzada por los productos de combustión de un sistema combustible y aire, especificándose la no existencia de pérdidas de calor al medio circundante hasta que la combustión sea completa. Tal temperatura teórica supone también la inexistencia de procesos de disociación de los productos formados. - 14 - El poder calorífico del combustible (Pcs), constituye el factor de mayor peso en la temperatura de llama, pero también inciden en su aumento los incrementos que pudieran conseguir en el aire y el combustible (precalentamientos). Como se prevé la temperatura así definida deberá calcularse por el valor máximo con un Ea = 0 %, dado que cualquier exceso no estaría involucrado en el proceso de combustión, "diluyendo" la temperatura de los productos formados. La temperatura "adiabática de llama", resultara definida a través de la entalpía de los productos de la combustión. Pcs calor sensibledel combustible calor sensibledel aire Wgases Cp gases Tllama Tamb Pcs calor sensibledel com bustible calor sensibledel aire Tllama Tamb W gases Cp gases La temperatura adiabática de llama es el valor teórico más alto, las temperaturas de llama reales son más bajas debido a dos causas principales: 1. La combustión no es instantánea, algo de calor se pierde indefectiblemente al medio circundante cuando tiene lugar el proceso. Cuanto más rápido ocurra el proceso de combustión menor será el calor que pueda perderse antes de que la combustión sea completa. Si la combustión es sumamente lenta los gases pueden enfriarse hasta un punto tal que corresponda un proceso de combustión incompleta, con parte del combustible sin quemar. Este punto se relaciona con el factor tiempo de las tres T de la combustión: Temperatura, Tiempo y Turbulencia. 2. A temperaturas superiores a 1650 ºC, una parte del CO2 y el H2O(V) formada comienzan a disociarse consumiendo calor. A 1925 º C, alrededor de un 10 % del CO2 del flue gas típico se disocia a CO y O2 con una absorción de 497 Kcal/Kg de CO formado y cerca del 3 % de H2O(V) se disocia en H2 y O2, con una absorción de calor de 6971 Kcal/Kg. de H2 formado. Cuando el flue gas se enfría el CO y el H2 se recombinan con el O2 y liberan el calor absorbido en la disociación, de modo que el calor no es mermado; pero el efecto total disminuye la temperatura ideal de llama. Correctamente deberían estudiarse las reacciones de disociación para obtener las composiciones alcanzadas en el equilibrio. Se debería suponer una temperatura, calcular las K - 15 - correspondientes a cada proceso de descomposición y luego con la masa total de todas las especies presentes (calcular las entalpías parciales a T), se deberá realizar un balance de calor. Se puede dar una relación entre la temperatura de llama y el color de la misma TEMPERATURA COLOR DE LLAMA ºC ºF 530 986 ROJO OSCURO 700 1292 ROJO APAGADO 800 1472 ROJO VIVO OSCURO 900 1652 ROJO VIVO CLAROSCURO 1000 1832 ROJO VIVO CLARO 1100 2012 ANARANJADO 1300 2372 BLANCO 1400 2552 BLANCO BRILLANTE 1600 2912 BLANCO FULGURANTE - 16 - ECUACIONES DE MASA Y ENERGIA Si recordamos las reacciones de combustión de los componentes de un hidrocarburo como lo son el carbono, el hidrogeno y el azufre: C+O2 CO2 12 + 32 32/12 Kg. O2/Kg. C 44/12 Kg. CO2/Kg. C 8142,5 Kcal./Kg. C 32/24 Kg. O2/Kg. C 56/24 Kg. CO/Kg. C 2437,7 Kcal./Kg. C 32/4 Kg. O2/Kg. H 36/4 Kg. H2O/Kg. H 28690,5 Kcal./Kg. H 32/32 Kg. O2/Kg. S 64/32 Kg. SO2/Kg. S 2213 Kcal./Kg. S 36 S +O2 SO2 32 + 32 CALOR LIBERADO CO2, CO, H2O, S2O 56 2H2+O22 H2O 4 + 32 GASES PRODUCIDOS CO2, CO, H2O, S2O 44 2C+O2 2 CO 24 + 32 OXIGENO NECESARIO O2T 64 97800 Kcal. calor liberado por unidad de masa de carbono en combustión completa QLCC = calor liberado por unidad de masa de carbono en combustión incompleta QLCI = = 8142,53 Kcal /Kg de C. 12,011 Kg de C 58560 Kcal. = 2437,76 Kcal /Kg de C. 24,022 Kg de C calor liberado por unidad de masa de hidrogeno inferior 115680 Kcal. QLHi = = 28690,48 Kcal /Kg de H. 4,032 Kg de H superior 36,030 Kg de H2O/ Kg de H QLHs = . 600 Kcal/Kg. de H2O + 28690,48 Kcal /Kg de H. = 4,032 Kg de H QLHs = 34092,27 Kcal/Kg. de H. 70954 Kcal. calor liberado por unidad de masa de azufre QLS = = 2212,88 Kcal /Kg de S. 32,064 Kg de S Todos los calores liberados son referidos a la temperatura de 0ºC. - 17 - COMBUSTIBLES LÍQUIDOS O SÓLIDOS Mientras que un combustible es expresado por su composición elemental como: Fracción en peso de carbono: FPC Kg de C / Kg de comb. o Kg de C / Nm3 de comb. Fracción en peso de hidrogeno: FPH Kg de H / Kg. de comb. o Kg. de H / Nm3 de comb. Fracción en peso de azufre: FPS Kg. de S / Kg. de comb. o Kg. de S / Nm3 de comb. Fracción en peso de oxigeno: FPO Kg. de O / Kg. de comb. o Kg. de O / Nm3 de comb. Fracción en peso de nitrógeno: FPN Kg. de N / Kg. de comb. o Kg. de N / Nm3 de comb. Si se tiene en cuenta la composición elemental, el poder calorífico superior de un combustible será: PCS = FPC Kg de C / Kg de comb. QLCC Kcal / Kg de C + FPH Kg de H / Kg de comb. QLHs Kcal / Kg de H + FPS Kg de S / Kg de comb .QLS Kcal / Kg de S - FPO Kg de O / Kg de comb. QLHs/ 8 Por que a la fracción de oxigeno en peso contenida en el combustible, se la tiene en cuenta en el calculo del poder calorífico como un termino negativo y que aparece multiplicando al calor liberado por el hidrogeno dividido ocho Cuando un combustible líquido contiene oxigeno, este debe encontrarse necesariamente combinado con otros constituyentes. Esa parte de combustible oxidada no desarrolla calor ya que el mismo ya se produjo en la oxidación, por lo tanto será necesario deducir de la parte de combustible, la cantidad requerida para combinare con el oxigeno, generalmente se efectúa dicho descuento del hidrogeno. 2H2 + O2 2H2O. 4 Kg de H + 32 Kg de O2 36 Kg de H2O si dividimos por 4 se puede decir que 1 parte de H + 8 partes de O dan 9 partes de H 2O se combinan para formar agua fpo/8=fph(combinado) Una parte 1 de H2 se combina con ocho partes 8 de O2 para dar nueve partes 9 de peso en H2O con lo cual si se divide por 8 el porcentaje de oxigeno que tiene el combustible, se obtendrá el porcentaje de hidrogeno combinado. Así el porcentaje de hidrogeno que queda para combinarse es de FPH - FPO/8 Así el poder calorífico superior de un combustible sólido o líquido según su composición elemental, será: Pcs = FPC . QLCC + (FPH - FPO/8) QLHs + FPS .QLS Kcal / Kg de comb - 18 - COMBUSTIBLES GASEOSOS El poder calorífico superior para combustibles gaseosos, puede calcularse si se tiene la composición en base volumétrica del mismo, con la siguiente fórmula: i n y z Pcs i Pcs i i i 1 i n y z i i i 1 siendo: Pcs = Poder calorífico superior de la mezcla. Pcsi = Poder calorífico superior del componente i yi = fracción molar o volumétrica del componente i zi = factor de compresibilidad del componente i a 1 atm y 60 ºC Cuadro de datos SUSTANCIA FORMULA PESO DENSIDAD FACTOR DE CALOR DE MOLECULAR i COMPRESIBILIDAD COMBUSTIÓN Mi Kg./Nm3 zi Pcsi Kcal/Nm3 Metano CH4 16,041 0,6791 0,9981 8129,89 Etano C2H5 30,067 1,2862 0,9916 14612,44 Propano C3H8 44,092 1,9157 0,9820 21237,46 Butano C4H10 58,118 2,5340 0,9667 24350,45 Nitrógeno N2 28,016 1,1917 0,9997 0,000 Por ejemplo para el gas natural conocido: yCH4 = 0,847; yC2H5 = 0,094; yC3H8 = 0,030; yC4H10 = 0,013; yN2 = 0,016 yi . zi . Pcsi = 0,847 . 09981 . 8129,89 + 0,094 . 0,9916 . 14612,44 + 0,030 . 0,9820 . 21237,46 + 0,013 . 0,9667 . 24350,45 = 6872,93 + 1362,03 + 625,65 + 306,01 = 9166,62 yi . zi = 0,847 . 0,9981 + 0,094 . 0,9916 + 0,030 . 0,9820 + 0,013 . 0,9667 = 0,8454 + 0,0932 + 0,0294 + 0,0125 = 0,9805 Pcs 9166,62Kcal/Nm3 Kcal 9349 0,9805 Nm 3 - 19 - EXCESO DE AIRE La cantidad de aire necesaria para lograr una combustión completa del combustible inyectado en cualquier cámara de combustión desde el punto de vista estequeométrico, puede ser calculada, definiendo el termino Amín = AireT = Cantidad de aire mínimo requerido para la combustión completa (teórico) Debido a problemas como lo que se verán en dinámica de la combustión, todo quemador funciona con un cierto exceso de aire con el objeto de desplazar la reacción hacia la derecha y lograr una combustión completa, con la mayor conversión posible del carbono a dióxido de carbono. El exceso de aire se define como: la relación entre el aire sobrante y el aire mínimo requerido A Amín Ea% real 100 Amín siendo: Areal: aire que realmente ingresa en la cámara Operando con la ecuación anterior podemos obtener A Ea% real 1 100 Amín 1 : OXIDANTE siendo Areal e factor de exceso Amín = 0 : NEUTRA 1 : REDUCTORA De forma que Ea%, puede expresarse como: Ea% e 1 100 Como e es una relación másica, de la misma sustancia , se puede conservar dicha relación para los volúmenes e inclusive para algún componente de dicha sustancia, así: G aire real V aire real VO2 real m 3 de O2 que entran e G aire mín V aire mín VO2 mín m 3 de O2 requeridos por estequeome tría - 20 - Esquematizando un horno cualquiera: Gases de combustión CO2 CO H2O SO2 O2 (saliente) O2s N2 (saliente) N2s Combustible C H S O H2O Aire O 2 (entrante) O2e N 2 (entrante) N2e H2O (entrante) Según el esquema: m3 de O2 que entran = O2e m3 de O2 requeridos para la combustión COMPLETA = O2e - O2s (en ausencia de CO) si se presenta CO CO + 1/2 O2 CO2, o sea que se necesita 1/2 volumen de O2 por cada volumen de CO y al O2s, se lo afecta de la siguiente forma: O2s = O2s - 1/2 CO o sea m3 de O2 requeridos para la combustión INCOMPLETA = O2e - (O2s - 1/2 CO) El nitrógeno es el único elemento que se puede considerar estable, por lo que se puede admitir a los efectos del calculo que: N2 e = N 2 s volumetricamente: O2e = 21/79 N2e = 21/79 N2s Referiremos todo a las condiciones de salida. Para la combustión completa, en ausencia de N en el combustible y de CO en los gases de combustión - 21 - e O2 e 21 79 N 2 s O2 e - O2 s 21 79 N 2 s - O2 s 1 79 O2 s 1 - 21 N S 2 1 %O2 s 1 - 3,76 % N s 2 Si se realiza el análisis Orsat o Firyte en los Gases de Combustión se determinara % CO2 % CO ANALISIS ORSAT EN BASE SECA % O2 % H2O No se determina por condensar en el lavado (los gases son disueltos en soluciones acuosas y el H2O existente en los gases se condensa Por lo tanto: % N2s = 100 - % CO2 - % O2 % O2s = % O2 Con lo cual e 100 %CO2 %O2 100 %CO2 4,76%O2 e 100 %CO2 %O2 100 %CO2 4,76%O2 1 %O2 1 - 3,76 100 %CO2 %O2 para combustión incompleta: e O2 e 21 79 N 2 s O2 e - O2 s 1/2 COs 21 79 N 2 s - O2 s 1/2COs 1 %O2 s 3,76 %COs 1 - 3,76 % N s 2 % N s 2 2 % N2s = 100 - % CO2s - % COs - % O2s (en el análisis Orsat se determina el % CO en base seca) e 100 - %CO2 - %CO - %O2 100 - %CO2 - %CO - %O2 100 - %CO2 0,88 %CO - 4,76 %O2 3,76 100 - %CO2 - 4,76 %O2 1 %CO 2 e 100 - %CO2 - %CO - %O2 100 - %CO2 0,88 %CO - 4,76 %O2 - 22 - Ecuación general Rendimiento de la combustión - Método Indirecto Se utiliza el método de calculo indirecto para un sistema como el siguiente: ENERGÍA CONSUMIDA (Reactivos) Combustible Aire ENERGÍA PERDIDA (Productos + Reactivos no transformados) Gases calientes REACTOR ENERGÍA UTIL (Calentamiento) Vapor de agua Rendim iento de la com bustión t E Energíaútil util Energíaconsum ida E cons Como muchas veces es difícil medir la energía útil producida por el reactor (para el ejemplo: caudal de vapor de agua a determinada presión y temperatura), o el caudal de combustible que se consume, la estereometría nos permite contar con un método que permite calcular el rendimiento térmico de la combustión por medición de la concentración de efluentes en chimenea y de la temperatura de los mismos. Energíaconsumida Energíaútil Energía pérdida E cons Eútil E pérd Dividiendo por Econs E pérd E cons E útil E cons E cons E cons 1 t E pérd E cons - 23 - E pérd 1 fracciónde energía pérdidaen los productosde reacción E cons t 1 Para la determinación de la Fracción de energía pérdida en los productos de reacción, se debería seguir el siguiente procedimiento: Con los datos: Fracción en peso de carbono: FPC Kg de C / Kg de comb. o Kg de C / Nm3 de comb. Fracción en peso de hidrogeno: FPH Kg de H / Kg. de comb. o Kg. de H / Nm3 de comb. Fracción en peso de azufre: FPS Kg. de S / Kg. de comb. o Kg. de S / Nm3 de comb. Fracción en peso de oxigeno: FPO Kg. de O / Kg. de comb. o Kg. de O / Nm3 de comb. Fracción en peso de nitrógeno: FPN Kg. de N / Kg. de comb. o Kg. de N / Nm3 de comb. Calculo del Poder calorífico superior del combustible utilizado PCS = FPC . QLCC + (FPH - FPO/8) QLHs + FPS .QLS Kcal / Kg de comb variables medidas: % CO2 medido % CO medido ANÁLISIS ORSAT EN BASE SECA % O2 medido % H2O No se determina por condensar en el lavado tg = temperatura de los gases en base de chimenea Determinación del Exceso de aire Ea % y coeficiente de exceso , mediante las ecuaciones e e 100 %CO2 %O2 100 %CO2 4,76%O2 100 - %CO2 - %CO - %O2 100 - %CO2 0,88 %CO - 4,76 %O2 o utilización del triángulo de Otswald, correspondiente al combustible utilizado. - 24 - Calculo del grado de conversión del C en CO2 Se define como: x %CO2 %CO2 %CO Calculo de las masas de productos de reacción C+O2 CO2 12 + 32 OXIGENO NECESARIO O2T GASES PRODUCIDOS CO2, CO, H2O, S2O CALOR PRODUCIDO CO2, CO, H2O, S2O 2,666 Kg. O2/Kg. C 3,666 Kg. CO2/Kg. C 8142,5 Kcal./Kg. C 1,333 Kg. O2/Kg. C 2,333 Kg. CO/Kg. C 2437,7 Kcal./Kg. C 8,000 Kg. O2/Kg. H 9,000 Kg. H2O/Kg. H 28690,5 Kcal./Kg. H 1,000 Kg. O2/Kg. S 2,000 Kg. SO2/Kg. S 2213 Kcal./Kg. S 44 2C+O2 2 CO 24 + 32 56 2H2+O22 H2O 4 + 32 36 S +O2 SO2 32 + 32 64 MO2M 2,666 FPC 8,000 FPH 1,000 FPS 1,000 FPO MO2' M 1,333.FPC 8,000 FPH 1,000 FPS 1,000 FPO MO2 s x MO2M 1 x MO2' M MO2M x MO2M 1 x MO2' M aclaración: MO2s O2 que entra : MO2M O2 consumido por el CO2 : x MO2M O2 consumido por el CO : 1 x MO'2M MN 2 s 77 23 MO2 M MCO2 s 3,666 FPC x MCOs 2,333 FPC 1 x MSO2 s 2,000 FPS MH 2 Os 9,000 FPH - 25 - Calculo de la cantidad de calor sensible de los gases a t2 (temperatura de los productos) con respecto a tamb = t1 (temperatura ambiente) Por ejemplo para el dióxido de carbono luego de transferir parte de su energía al fluido a calentar, en el reactor, si su temperatura de salida es de t2 ºc. hCO2 t 2 PM1 CO2 CO2 t 2 273 CO2 t 2 2732 t 2 Kcal/Kg. de CO2 CO2 y luego de transferir todo el calor remanente al ambiente, si su temperatura es de tamb ºc. hCO2 tamb PM1 CO2 CO2 t amb 273 CO2 t amb 2732 t amb Kcal/Kg. de CO2 CO2 el cambio entálpico para el dióxido de carbono, será entonces: hCO2 hCO2 t 2 hCO2 tamb Kcal/Kg.de CO2 Siendo: Componente Formula Peso Molecular Dióxido de carbono CO2 44,01 6,214 10,396. 10-3 - 3,545. 10-6 Monóxido de carbono CO 28,01 6,410 1,665. 10-3 - 0,196. 10-6 Dióxido de azufre SO2 64,06 7,116 9,512. 10-3 3,511. 10-6 Agua H2O 18,01 7,256 2,298. 10-3 0,283. 10-6 Nitrógeno N2 28,01 6,524 1,250. 10-3 - 0,001. 10-6 Oxigeno O2 32,00 6,148 3,102. 10-3 - 0,923. 10-6 Si se hace lo mismo para todos los productos de combustión se obtendrá la cantidad de calor perdido por los mismos, pero por unidad de masa de combustible consumido - 26 - Calculo de la cantidad de calor pérdida por los productos de combustión 2 2 2 2 Q pg MCO 2 s hCO2 ttamb MCOs hCO ttamb MO 2 s hO2 ttamb MN 2 s h N 2 ttamb 2 100C MSO 2 s hSO2 ttamb MH 2 Os hH 2O ( v ) tt 2100C rH 2O hH 2O (l ) ttamb Es de destacar que la cantidad de calor pérdida por la masa de agua producida, esta compuesta por tres partes: una parte sensible correspondiente a la fase vapor (presente en mayor cantidad, hasta los 100 ºC), una parte latente y una parte sensible correspondiente a la fase líquida presente en mayor cantidad desde los 100ºC hasta la temperatura ambiente). fracciónde energía pérdida por los productos Q pg Kcal/Kg.de combustible Pcs Kcal/Kg.de combustible Calculo del rendimiento térmico de la combustión t Q E pérd 1 pg [adim ensional] 1 Pcs E cons - 27 -