Motores de combustión interna y compresores

Química de la combustión

Víctor Ávila Alvarado

Heriberto Eliezer Cruz Jácome

Getsemanì

Guadalupe Toral Pereyra

Motores de combustión interna y compresores

INTRODUCCION

La humanidad ha utilizado desde su existencia reacciones químicas para producir energía. Desde las más rudimentarias, de combustión de madera o carbón, hasta las más sofisticadas, que tienen lugar en los motores de los modernos aviones o naves espaciales.

Las reacciones químicas, pues, van acompañadas de un desprendimiento, o en otros casos de una absorción, de energía.

La combustión es una oxidación violenta, la cual, a su vez, desprende energía en forma de calor y luz. Los principales productos de ella son: el CO2, el vapor de agua y la energía.

Química de la combustión Página 1

Motores de combustión interna y compresores

ContenidoCOMBUSTION.....................................................................................................................................3

COMBUSTIBLES COMERCIALES.......................................................................................................3

Naturales o primarios.................................................................................................................3

Artificiales o secundarios............................................................................................................3

COMBUSTIBLES ESPECIALES...........................................................................................................4

COMBURENTES..............................................................................................................................4

DEFINICIONES.....................................................................................................................................4

TIPOS DE COMBUSTION.....................................................................................................................5

EJERCICIOS PROPUESTOS...................................................................................................................7

REFERENCIAS....................................................................................................................................12

Química de la combustión Página 2

Motores de combustión interna y compresores

COMBUSTION

La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxígeno. Es característica de esta reacción la formación de una llama, que es la masa gaseosa incandescente que emite luz y calor, que está en contacto con la sustancia combustible.

La reacción de combustión puede llevarse a cabo directamente con el oxígeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno, llamada comburente, siendo el aire atmosférico el comburente más habitual.

La reacción del combustible con el oxígeno origina sustancias gaseosas entre las cuales las más comunes son CO2 y H2O. Se denominan en forma genérica productos, humos o gases de combustión. Es importante destacar que el combustible solo reacciona con el oxígeno y no con el nitrógeno, el otro componente del aire. Por lo tanto el nitrógeno del aire pasará

íntegramente a los productos de combustión sin reaccionar.

Combustible + comburente = proceso de combustión

Podemos clasificar a los combustibles según su origen en comerciales y especiales.

COMBUSTIBLES COMERCIALES

Naturales o primarios

Sólidos.- carbón, madera, biomasa algunos metales (costo muy elevado). Uranio (elemento radiactivo que genera la fisión en un reactor nuclear)

Líquidos.- Petróleo y sus derivados

Gases.- Gas natural, gas licuado de petróleo (GLP)

Artificiales o secundarios

Sólido.-  Coque (destilado de carbón de hulla),carbón vegetal (destilado de la madera 250ºC), aglomerado de hulla, biomasa residual (basura y residuos urbanos, estiércol, etc.)

Química de la combustión Página 3

Motores de combustión interna y compresores

Líquidos.- Alcoholes (destilados de la biomasa), aceites de nafta y benzol (destilados de petróleo)

Gaseosos.- Destilados de madera, destilados de la hulla, destilados de naftas de petróleo

COMBUSTIBLES ESPECIALESEste tipo de combustibles generalmente se utilizan para impulsar cohetes o en usos militares.

Líquidos

H2 liquido + O2 liquido

Kerosene + O2 liquido

Dimetilhidracina[ NH2-N(CH3)2] + N2O4

Sólidos

Perclorato amónico ( NH4ClO4)

Pólvora (NaNO3 o KNO3 ,+ S + C )

COMBURENTESEl comburente es el agente que aporta el oxígeno a una reacción de combustión y la fuente más usual y económica de oxígeno disponible es el aire.

DEFINICIONESEn el manejo de las ecuaciones de reacciones de combustión generalmente se emplean algunos conceptos importantes a saber:

Aire teórico o requerido.-Es la cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico

Oxígeno teórico.- Son las moles (para un proceso intermitente) o la velocidad de flujo molar (para un proceso continuo) de oxigeno que se necesitan para efectuar la combustión completa del combustible en el reactor, suponiendo que todo el carbono del combustible se oxida para formar CO2 y todo el H2 se oxida para formar H2O.

Química de la combustión Página 4

Motores de combustión interna y compresores

Exceso de aire.- Es la cantidad de aire en exceso con respecto al teórico o requerido para una combustión completa. Para su cálculo pueden emplearse las siguientes expresiones equivalentes:

% de exceso de aire = (O2 que entra al proceso - O2 requerido/O2 requerido) x 100

% de exceso de aire = (O2 de exceso / O2 de entrada - O2 de exceso) x 100

Para los cálculos de aire teórico y aire en exceso deben tenerse en claro los siguientes conceptos:

El aire teórico requerido para quemar una cierta cantidad de combustible no depende de la cantidad que realmente se quema. El combustible puede reaccionar parcialmente y puede quemarse parcialmente para formar CO y CO2 pero el aire teórico es aquel que se requeriría para reaccionar con todo el combustible para formar solo CO2

El valor del porcentaje de aire en exceso depende solo del aire teórico y de la velocidad de alimentación de aire y no de cuanto O2 se consume en el reactor o bien de que la combustión sea completa o parcial.

Composición en base seca o análisis de Orsat.- Es la composición de todos los gases que resultan del proceso de combustión sin incluir el vapor de agua.

Composición en base húmeda.- Es la composición de todos los gases que resultan del proceso de combustión incluyendo el vapor de agua.

TIPOS DE COMBUSTIONDe acuerdo a como se produzcan las reacciones de combustión, estas pueden ser de distintos tipos:

Combustión completa.- Ocurre cuando las sustancias combustibles reaccionan hasta el máximo grado posible de oxidación. En este caso no habrá presencia de sustancias combustibles en los productos o humos de la reacción.

Combustión incompleta.- Se produce cuando no se alcanza el grado máximo de oxidación y hay presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de la reacción.

Combustión estequiométrica  o   teórica.- Es la combustión que se lleva a cabo con la cantidad mínima de aire para que no existan sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión no hay presencia de oxígeno en los humos, debido a que este se ha empleado íntegramente en la reacción.

Química de la combustión Página 5

Motores de combustión interna y compresores

Combustión con exceso de aire.- Es la reacción que se produce con una cantidad de aire superior al mínimo necesario. Cuando se utiliza un exceso de aire, la combustión tiende a no producir sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión es típica la presencia de oxígeno en los gases de combustión. La razón por la cual se utiliza normalmente un exceso de aire es hacer reaccionar completamente el combustible disponible en el proceso.

Combustión con defecto de aire.-Es la reacción que se produce con una menor cantidad de aire que el mínimo necesario. En este tipo de reacción es característica la presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de reacción.

Química de la combustión:

De acuerdo con los fundamentos de la química la unión de carbono y oxígeno se expresa de la forma siguiente:

C+O2→CO2 Ec. 1

1 + 1 → 1 en moles

12 + 32 → 44 en peso

Las expresiones anteriores indican que 1 peso molecular de carbono se combina con 1 peso molecular de oxígeno para producir 1 peso molecular de anhídrido carbónico. Un mol de una sustancia vale M kilogramos cuando M es el peso molecular. Aunque las cantidades que se combinan pueden expresarse en kilogramos, es más sencillo efectuar todos los cálculos utilizando moles y transformarlos en kilogramos o metros cúbicos solamente cuando sea necesario.

Se dice que una combustión es completa cuando el combustible es totalmente oxidado y se libera toda la energía. La Ec. 1, corresponde, pues, a la oxidación completa del carbono. La combustión incompleta puede ser debida a:

- Insuficiencia de Oxígeno- Mezcla imperfecta entre el combustible y el oxígeno- Temperatura demasiado baja para mantener la combustión

A continuación se dan las ecuaciones de combustión incompleta, debido a la presencia de óxido de carbono y de hidrógeno libre en los respectivos productos finales.

Química de la combustión Página 6

Motores de combustión interna y compresores

C+ 12O 2→CO Ec. 2

2 H 2+12O2→H 2O+H 2 Ec. 3

El Oxígeno necesario para la combustión es captado siempre del aire, acompañándole gran cantidad de nitrógeno debido a que no es fácil la separación de ambos. El oxígeno embotellado se utiliza para determinadas aplicaciones, como por ejemplo, en los sopletes para cortar, en los cuales no pueden permitirse los efectos diluyentes del nitrógeno. Es por tanto necesario revisar las propiedades del aire como manantial de oxígeno.

Tabla 1. Composición del aire seco

% en volumen, moles

% en peso Peso molecular,Kg por mol

Oxígeno 20,99 23,19 32Nitrógeno 78,03 75,47 28,016Argón 0,94 1,30 39,944Anhídrido carbónico 0,03 0,04 44,003Hidrógeno 0,01 0 2,016Aire seco 100 100 28,967

Para efectos de cálculo, se supone que el aire se halla constituido por 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, en volumen y por 23,2% de oxígeno y 76,8% de nitrógeno, en peso.

El vapor de agua contenido en el aire varía ampliamente con la temperatura y con el porcentaje de saturación. El aire saturado a 21,1 °C contiene 2,46 % de humedad en volumen. El aire a 21,1 °C y 50% de saturación tiene 0,5 X 2,46 =1,23% de humedad, lo cual indica que la humedad en volumen está en razón directa al porcentaje de saturación. La saturación a 100 °C señala el 100% de vapor de agua. La cantidad de vapor de agua existente en el aire puede calcularse con bastante exactitud a partir de la grafica psicrométrica, si se conocen las temperaturas de los bulbos húmedo y seco.

La relación molar entre el nitrógeno y oxígeno del aire es la misma que su relación volumétrica, debido a que ambos son gases y se encuentran a la misma temperatura; por tanto, se tendrá

moles N2

moles O2

=79 %21 %

=3,76+¿

Química de la combustión Página 7

Motores de combustión interna y compresores

La relación anterior pone de manifiesto que por cada mol de oxígeno presente en el aire existen 3,76 moles de nitrógeno. Por consiguiente, en un motor de combustión interna, por cada volumen de oxígeno que pasa a través del filtro de aire, carburador, válvula de admisión y cilindro entran 3,76 volúmenes de nitrógeno.

La combustión del carbono en el aire viene representada por la siguiente ecuación:

C+O2+3,76 N 2→CO2+3,76N 2 Ec.4

1 + 1 + 3,76 →1 + 3,76 en moles

12 + 32 +3,76(28,2)→44 + 3,76(28,2) en peso

Dividiendo por 12,

1 + 2,667 + 8,84 → 3,667 + 8,84 en peso

Combustible aire Productos

Por tanto, el aire requerido será:

(2,667 + 8,84)/1 = 11,5 kg por kg de carbono

La combustión del hidrógeno en el aire viene representada por la siguiente relación:

2 H 2+O2+3,76 N 2→2H 2O+3,76 N2Ec. 5

2+1+3,76→2+3,76 en moles

2(2)+32+3,76(28,2) → 2(18) + 3,76(28,2) en peso

Dividiendo por 4,

1 + 8 + 26,5→9 +26,5 en peso

Combustible aire Productos

Por lo tanto, el aire requerido será

(8 + 26,5)/1 = 34,5 kg por kg de hidrógeno

Como ejemplo de combustión de hidrocarburos consideremos el caso de la gasolina típica (C8H18)

C8H 18+(12,5 )O2+12,5¿ Ec. 6

1 + 12,5 + 47 → 8 + 9 + 47 en moles

114 + 400 + 1325 → 352 + 162 + 1325 en peso

Química de la combustión Página 8

Motores de combustión interna y compresores

Dividiendo por 114,

1 + 3,51 + 11,62 →3,09 +1,42 + 11,62 en peso

Combustible aire Productos

Así, pues, para la combustión de cada kilogramo de esta gasolina se necesitan (3,51 + 11,62)/1 o 15,13 kg de aire estando éste constituido por 3,51 kg de oxígeno y 11,62 kg de nitrógeno. La relación aire/combustible es, por consiguiente, 15,13 a 1, y la relación combustible/aire es de 1 a 15,13, o sea 0,066. Estas expresiones se utilizan mucho para indicar la riqueza o pobreza de una mezcla de combustibles y aire. La Ec. 6 representa una mezcla perfecta, químicamente correcta o ideal. Las proporciones químicamente correctas no producen la combustión completa, pues por la ley de la probabilidad no es posible que cada una de las extraordinariamente numerosas moléculas que componen el combustible encuentre una molécula de oxígeno para combinarse con ella. Para lograr la total oxidación del combustible es necesario utilizar una mezcla que tenga un cierto exceso de aire.

Si el aire está en defecto, pueden producirse pérdidas importantes en forma de óxido de carbono, hidrógeno libre e hidrocarburos destilados.

Ejemplo 1:

Se quema fuel-oil típico, C16H32, con la cantidad correcta de aire. Calcular: (1) la ecuación de combustión; (2) la relación ideal aire/combustible; (3) el porcentaje de CO2, en volumen, existente en los gases secos de la chimenea, y (4) el porcentaje de N2, en volumen, presente en estos mismos gases.

Solución:

La ecuación de combustión, al 100% de aire teórico, queda expresada como:

C16H 32+aO2+3,76a N2→bCO2+d H 2O+3,76 aN 2

Se procede, entonces, a calcular los coeficientes a, b, y d:

Carbono:

16 → b; por lo tanto b = 16

Hidrógeno:

32→ 2d; por lo tanto d = 16

Química de la combustión Página 9

Motores de combustión interna y compresores

Oxígeno:

a→ b+d/2; por lo tanto: a = 16 +8 =24

Nitrógeno:

3,76(24) → 3,76(24)

Ahora se reescribe la ecuación, conocidos sus coeficientes,

(1)

C16H 32+24O2+3,76(24 )N2→16CO2+16H 2O+3,76(24)N2

1 + 24 + 90,24 → 16 + 16 + 90,24 en moles

(2)

AF

=kgde aire

kgde combustible=

24 (32 )+90,24 (28)16 (12 )+32(1)

=14,68

(3) porcentaje de CO2 en los gases secos de la chimenea (en volumen)

1616+90,24

=0,1505

Es decir, 15,05% de CO2

(4) %N 2=100−15,05=84,95

Ejemplo 2:

Se quema gasolina típica, C8H18, con un 20 % de exceso de aire en peso. Calcular (1) la ecuación de combustión; (2) la relación aire/combustible; (3) el % de CO2 en volumen de los gases de escape secos; (4) kilogramos de vapor de agua formados por kilogramo de combustible; (5) volumen de los gases de escape secos por kilogramo de combustible, en el supuesto de que t = 15,6 °C y P = 1,0336 kg/cm2 (presión absoluta), y (6) presión parcial del vapor de agua en los gases de escape.

Química de la combustión Página 10

Motores de combustión interna y compresores

Solución:

La ecuación de combustión, al 100% de aire teórico, queda expresada como:

C8H 18+aO2+a (3,76)N2→bCO2+d H 2O+a (3,76 N2)

Se procede, entonces, a calcular los coeficientes a, b, y d:

Carbono:

8 → b; por lo tanto b = 8

Hidrógeno:

18→ 2d; por lo tanto d = 9

Oxígeno:

a→ b + d/2; por lo tanto: a = 8 + 4,5 =12,5

Nitrógeno:

3,76(12,5) → 3,76(12,5)

Ahora se reescribe la ecuación, conocidos sus coeficientes, para un 100 % de aire teorico:

C8H 18+(12,5 )O2+12,5¿

1 + 12,5 + 47→ 8 + 9 + 47 en moles

Para un 20 % de exceso de aire, se tiene

C8H 18+(1,2) (12,5 )O2+(1,2)12,5¿

(2)

AF

=kgde aire

kgde combustible=

1,2(12,5) (32 )+1,2(12,5)(3,76)(28,2)8 (12 )+18(1)

=18,05kg por kg

(3) porcentaje de CO2 en los gases secos de la chimenea (en volumen)

88+1,2 (12,5 )3,76+2,5

=0,1195

Es decir, 11,95% de CO2

Química de la combustión Página 11

Motores de combustión interna y compresores

(4) kg H 2O

kgcombustible=

9(2+16)12 (8 )+18

=1,42kg por kg

(5) PV=NRT oVmf

= NRTPmf

;(mf=peso decombustible quemado enkg)

Vmf

=[8+1,2 (12,5 )3,76+2,5 ](848,2)(288,6)

¿¿

(6) PH 2O

N H 2O=

PT

N T

; P H 2O=9(10336)

8+9+1,2 (12,5 )3,76=1263,5

kgm2 ;( presión absoluta)

Análisis de los productos de escape

Mediante el conocido aparato de Orsat, puede efectuarse un análisis de los productos de escape a partir del cual es posible calcular la relación aire/combustible. También puede determinarse el grado de efectividad de la combustión, y este dato es de vital importancia para el buen funcionamiento de un hogar o de un motor.

Cuando se necesita una gran exactitud se efectúa la medición real del caudal del combustible y de aire, pero la medición de este último requiere gran habilidad y resulta costosa. El método más sencillo consiste en obtener una muestra de los productos de la combustión y determinar el porcentaje en volumen de cada gas componente. Debido a que estos porcentajes se determinan en condiciones de presión, temperatura y saturación constantes, volúmenes iguales de cualquiera de los diversos gases contendrán el mismo número de moléculas (ley de Avogadro). Como quiera que el nitrógeno es inerte, los moles de este gas que aparezcan en los productos de escape deberán figurar también en la mezcla de combustible y aire. Este nitrógeno sirve para indicar la cantidad de aire que entra, pues a cada mol de oxígeno procedente del aire le acompañan 3,76 moles de nitrógeno. Análogamente, el carbono que aparece en los productos de escape constituye un índice del contenido en combustible.

Al analizar los productos de la combustión el vapor de agua se condensa, licúa y llega a formar parte del fluido succionante del Orsat, y por lo tanto no entra en el análisis. El análisis equivale al efectuado sobre gases secos.

Química de la combustión Página 12

Motores de combustión interna y compresores

Ejemplo 3:

El análisis de ciertos gases de escape da los siguientes porcentajes en volumen:

CO2 = 12,1; O2 = 0,3; CO = 3,3; H2 = 1,3; CH4 = 0,3; N2 = 82,7. Suponiendo que el combustible sea un hidrocarburo de la forma CxHy, (1) encontrar los valores de x e y; (2) establecer la ecuación de combustión; y (3) determinar la relación aire/combustible.

Solución:

(1)

C xH y+aO2+82,7 N2→12,1C O2+ (0,3 )O 2+3,3CO+1,3 H 2+ (0,3 )C H 4+82,7 N 2+bH 2O

Para el Nitrógeno:

a (3,76)→ 82,7; por lo tanto a=82,73,76

=22

Para el carbono:

X = 12,1 + 3,3 + 0,3 = 15,7

Para el O2 presente en los gases secos:

12,1 + 0,3 + (3,3/2) = 14,05

Por lo tanto, b = (22-14,05)2 = 15,9

Para el hidrógeno (H2):

1,3 + (2)(0,3) + 15,9 = 17,8

Y = 2(H2) = 35,6

(2) Por consiguiente, la ecuación de combustión será:

C15,7H 35,6+22O2+82,7 N2→12,1CO2+ (0,3 )O2+3,3CO+1,3 H 2+ (0,3 )C H 4+82,7N 2+15,9 H 2O

(3) Relación aire/combustible = (22 ) (32 )+(82,7)(28,2)(15,7 ) (12 )+(35,6)(1)

=13,5kg por kg

Nota: Aunque x e y han sido determinados, la composición del combustible no queda definida en forma decisiva. En realidad puede involucrarse más o menos de 1 mol de combustible de tal modo que x e y se reduzcan a números enteros al ser multiplicados por una constante, z(CxHy). La proporción de hidrógeno a carbono, llamada relación

Química de la combustión Página 13

Motores de combustión interna y compresores

hidrógeno/carbono, es más importante, pudiendo ahora determinarse como H/C, o y/x = 35,6/15,7 = 2,26, o escribirse como CH2,26.

EJERCICIOS PROPUESTOS

1. Un mol de etileno (C₂H₄) se quema con 20% de exceso de aire. Determinar:a) la relación aire – combustible.b) la relación de equivalencia empleada.c) el porcentaje en mol de N₂ en los gases de escape, si la combustión es completa.

2.-Determine la composición (porcentaje en moles con base seca) de los productos formados en la combustión completa (con 20% de exceso) de un gas con la siguiente composición volumétrica: CH4 60%; C2H6 30%; N2 10%.

3.-Un combustible gaseoso posee un análisis volumétrico de 65% de CH4; 25% de C2H6; 5% de CO2 y 5% de N2, es quemado con 30% de exceso de aire. Determinar la relación aire-combustible.

4.- Un mol de acetileno C2H2, se quema con 10% de exceso de aire. Determinar:

a) La relación aire-combustible

b) La relación de equivalencia empleada

c) El porcentaje en mol de N2 en los gases de escape, si la combustión es completa

5.- Un combustible gaseoso posee un análisis volumétrico de:

Es quemado con 30% de exceso de aire. Determina la relación aire-combustible.

6.-Un mol de propileno (C3H6) se quema con 20% de exceso de aire.

Determinar:

a) La relación aire-combustible

b) La relación de equivalencia empleada

c) El porcentaje en mol de N2 , en los gases de escape, si la combustión es completa.

Química de la combustión Página 14

65% CH4

25% C2H6

5% CO2

5% N2

Motores de combustión interna y compresores

7.- Un gas tiene el siguiente análisis volumétrico en porcentaje CH 4-80.62 %; C2H 6-5.41 %; C3H 8 -1.87 %; C4 H 10-1.60 %; N2-10.5%. un análisis volumétrico de productos de combustión muestra:

CO2------------- > 78%O2-------------- > 7.8% calcular la relación aire combustibleCO-------------- > 0.2%

8.- Metano (CH4) se quema con 80% de las necesidades de aire teorico.

a) Que porcentaje de carbono en el combustible se convierte en CO2

b) Que relación de equivalencia es empleada.

9.- El análisis volumétrico de los productos secos de combustión de un combustible hidrocarburo que se describe por la formula CxHy es: CO2, 13.6%; O2, 0.4%; CO, 0.8%; CH4, 0.4% y N2, 84.8%.

Determinar los valores X eY para el combustible con base 13.6mol de CO2 en los productos de combustión.

10.-Un combustible gaseoso posee un análisis volumétrico de 65% de CH4; 25% de C2H6; 5% de CO2 y 5% de N2, es quemado con 30% de exceso de aire. Determinar la relación aire-combustible.

Química de la combustión Página 15

Motores de combustión interna y compresores

REFERENCIAS

http://www.textoscientificos.com/quimica/combustion

http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Energiaquimicaycombustion.htm

 Mientras mayor es el exceso de aire, menor es la probabilidad de una combustión incompleta, pero también disminuye la temperatura de la reacción y la eficiencia térmica del proceso. Por lo tanto,

se debe tratar de emplear el exceso de aire mínimo para que se queme la totalidad del combustible.

 

Condiciones para la combustión

Química de la combustión Página 16

Motores de combustión interna y compresores

 

Para que ocurra la combustión, el combustible debe alcanzar la denominada temperatura de ignición. Cuando ello ocurre, el combustible comienza a arder y se forma la llama, una zona donde ocurre

una rápida oxidación del combustible, liberando gran cantidad de energía, y que se produce a altas temperaturas.

 

Una mezcla aire/combustible es inflamable cuando la llama iniciada en uno de sus puntos puede propagarse.

Para cada combustible existen dos límites de inflamabilidad, fuera de los cuales la mezcla no es combustionable. Por debajo del límite inferior de inflamabilidad, la mezcla no es suficientemente rica

en combustible, sobre el límite superior de inflamabilidad la mezcla es pobre en comburente (aire). Algunos límites de inflamabilidad en el aire (expresados como porcentaje de combustible en la

mezcla) se presentan en la tabla siguiente:

 

Combustible Fórmula Química Límite Inferior % Límite Superior %

Metano CH4 5 14

Propano C3H8 1,86 8,41

Butano C4H10 2,37 9,5

Gas Natural   5 15

 

 

Tipos de Llama

1. Llama de Premezcla: Una llama se considera premezclada cuando la mezcla de combustible y comburente se realiza antes de la boquilla del quemador. La cantidad de aire

usualmente es menor que la estequeométrica y el aire faltante proviene del ambiente que rodea la llama, denominado aire secundario.

2. Llama de Difusión: Una llama es de difusión cuando la mezcla del combustible y el comburente se realiza en el exterior del quemador. El gas sale por la boquilla del quemador y el

oxígeno para la combustión proviene del aire circundante. Esta llama es más luminosa que la de premezcla y su luminosidad proviene de las partículas de hollín incandescentes.

Temperatura Teórica de Combustión

 

Es aquella que alcanzarían los productos de la combustión si todo el calor de la reacción fuese empleado en su calentamiento. Dado que siempre existen pérdidas de calor, en la práctica esta

temperatura no se alcanza.

 

Eficiencia de la Combustión

 

Se define como eficiencia de la combustión al cuociente entre el Calor Útil Entregado y el Calor Total Entregado por el combustible, es decir:

Cómo Reducir la Producción de Monóxido de Carbono en la Combustión?

 

Una combustión incompleta da origen a la formación de monóxido de carbono. Para obtener una combustión

completa se deben controlar los siguientes factores:

Nivel de aire adecuado. El exceso de aire es esencial para una combustión completa. Una relación aire-

combustible estequiométrica,aunque asegura la máxima eficiencia y temperatura de la llama,en la práctica

llevará a una combustión incompleta, ya que difícilmente se lograrán las condiciones de mezcla para lograr

una combustión completa. En general, se debe evitar las mezclas aire-combustible cercanas a la

estequiométrica, dado que pequeños cambios en los parámetros de operación como pequeñas variaciones en

el suministro de aire pueden desbalancear la relación aire-combustible,produciéndose un aumento del CO.

Evitar el enfriamiento de la llama causado por un elevado exceso de aire. Al aumentar el exceso de aire,

la llama se enfría, lo que puede llevar a una combustión incompleta del combustible, produciéndose CO. Este

problema se puede producir en los quemadores que permiten variar el consumo de combustible manteniendo

fijo el suministro de aire. Al operar cerca del máximo, funciona eficientemente, pero al disminuir la entrada de

combustible aumenta el exceso de aire

Química de la combustión Página 17

Motores de combustión interna y compresores

III.- COMPRESOR CENTRIFUGO O FLUJO RADIAL VS FLUJO AXIAL

Los compresores centrífugos se usan industrialmente por varias razones: tienen menos componentes a fricción, también relativamente eficientes, y proporcionan un caudal mayor que los compresores reciprocantes (o de desplazamiento positivo) de tamaño similar. El mayor inconveniente es que no llegan a la relación de compresión típica de los compresores alternativos, a menos que se encadenen varios en serie. Los ventiladores centrífugos son especialmente adecuados para aplicaciones donde se requiere un trabajo continuo, como el caso de sistemas de ventilación, unidades de refrigeración, y otras que requieran mover grandes volúmenes de aire aumentando su presión mínimamente. Por otro lado, una serie de compresores alternativos típicamente llegan a conseguir presiones de salida de 55 a 70 MPa. Un ejemplo de aplicación de compresores centrífugos es la reinyección de gas natural en los pozos de petróleo para su extracción.

Muchos compresores centrífugos se usan también en pequeñas turbinas de gas como APUs (generadores auxiliares) y motores turborreactores de pequeñas aeronaves (turboejes de helicópteros y algunos turbohélices). Una razón significativa de ello es que con la tecnología actual, un compresor axial que opere con estos volúmenes de aire sería menos eficiente por las pérdidas en las tolerancias del rotor y el estátor. Hay muy pocos compresores centrífugos de un sólo escalón capaces de entregar una relación de compresión de 10 a 1, principalmente por las cargas mecánicas que soportan y que limitan su seguridad, fiabilidad y vida del producto.

Compresor Axial Compresor Radial.

IV.- MOTORES DISEL

El motor diésel es un motor térmico de combustión interna alternativo en el cual el encendido del combustible se logra por la temperatura elevada que produce la compresión del aire en el interior del cilindro, según el principio del ciclo del diésel. También llamado motor de

Química de la combustión Página 18

Motores de combustión interna y compresores

combustión interna, a diferencia del motor de explosión interna comúnmente conocido como motor de gasolina.

V.- MOTORES A GASOLINA

Un motor de explosión es un tipo de motor de combustión interna que utiliza la explosión de un combustible, provocada mediante una chispa, para expandir un gas empujando así un pistón. Hay de dos y de cuatro tiempos. El ciclo termodinámico utilizado es conocido como Ciclo Otto.Este motor, también llamado motor de gasolina o motor Otto, es junto al motor diésel, el más utilizado hoy en día

VI.- MOTORES DISEL VS GASOLINA

Hace algunos años, los vehículos diesel comenzaron a tener sus primeras apariciones en el mercado automotriz. En Europa cerca del 13% de los autos vendidos correspondían a motores con tecnología diesel. A partir del 2000, las ventas ascendieron al 40% aproximadamente, debido a que la gente quedó convencida de las prestaciones de este tipo de autos.

Actualmente en México sigue siendo un tema polémico, por la verificación y la falta de reglamentación para este tipo de vehículos. Aunque cabe mencionar que el gobierno está trabajando al respecto.

Algunos beneficios que ofrecen los vehículos con motor diesel son:- Su consumo de combustible es más bajo- El costo del diesel es más barato que la gasolina- Su motor es más potente- El rendimiento litro - kilómetro, llega a ser hasta 3 veces más eficiente que un motor de gasolina- Su valor de reventa se deprecia menos que un motor de gasolina (según los expertos)- La demanda de estos motores ha contribuido a que los fabricantes inviertan en más investigación y tecnología- Su motor es más ecológico- Su mantenimiento es más económico- Según los expertos, los motores diesel son más resistentes y sufren menos averías que los de gasolina

Química de la combustión Página 19

Motores de combustión interna y compresores

DESCRIPCIÓN DE COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

Química de la combustión Página 20

Motores de combustión interna y compresores

COMPRESORES ALTERNATIVOS O DE EMBOLO

El compresor de embolo, de vaivén o de movimiento alternativo, es una maquina de desplazamiento positivo que aumenta la presión de un volumen determinado de gas mediante la reducción de su volumen inicial. La compresión se verifica por el movimiento de vaivén de un embolo encerrado en un cilindro. Generalmente, el cilindro es de dobla efecto y esta accionado por un mecanismo de biela y manivela. La compresión tiene lugar en ambos extremos del cilindro, el cual suele llevar una camisa de agua para disparar el calor engendrado por la fricción de los anillos del embolo y por la empaquetadura del vástago y parte del calor de compresión. La salida del vástago en el cilindro se cierra con una empaquetadura sin escapes. Se regula la oportuna salida y entrada del gas en el cilindro mediante válvulas que se abren según cambia la presión diferencial entre el interior del cilindro y el sistema gaseoso.

El proceso de compresión puede verificarse en una sola etapa termodinámica (compresión de una fase) o dividirse en varias etapas con enfriamiento intermedio del gas (compresión de varias etapas o multigradual). La compresión multigradual requiere una maquina mas costosa que la compresión unifase, pero se utiliza con mas frecuencia por varias razones: menor consumo de energía, menor elevación de temperatura del gas dentro del cilindro y menor diámetro del cilindro.

Los compresores que se utilizan mas comúnmente para comprimir gases tienen una cruceta a la que se conectan la biela y la varilla del pistón. Esto proporciona un movimiento en línea recta para la varilla del pistón y permite que se utilice un embalaje simple, en la figura 30 se muestra una maquina sencilla, de etapa simple, con un pistón de acción doble. Se pueden utilizar pistones de acción simple o doble, dependiendo del tamaño de la maquina y el numero de etapas. En alguna maquinas, se usan pistones de acción doble, en la primera etapa y de acción simple, en las posteriores.

En las maquinas de etapas múltiples, hay enfriadores intermedios entre capa una de estas. Esos intercambiadores de calor eliminan el calor de la compresión del gas y reducen su temperatura a aproximadamente la que existe a la entrada del compresor. Ese enfriamiento reduce el volumen de gas que va a los cilindros a alta presión, hace disminuir la energía necesaria para la compresión y, a presiones elevadas, mantiene la temperatura dentro de limites de operación seguros.

En la figura 31 se muestra un extremo del compresor de dos etapas.

Para ver los gráficos seleccione la opción "Descargar" del menú superior

Los compresores con cilindro horizontales (Fig. 31) son los que mas se utilizan, por su capacidad de acceso. Sin embargo, se construyen también maquinas con cilindros verticales y otras disposiciones, tales como las de ángulo recto (uno horizontal y el otro vertical) y en ángulo en V. Los compresores alternativos, pueden ser del tipo lubricado o sin lubricar.

Lubricación de compresores

Para la lubricación de los compresores de émbolo se emplean los mismos métodos que para las máquinas de vapor, salvo las altas exigencias de los aceites de engrase a causa del gran calor radiado por los cilindros de vapor.

Para el engrase de los cilindros, como para las máquinas de vapor, se emplean bombas de émbolo buzo de funcionamiento obligado por la transmisión.

Aún con altas presiones de gas deben procurarse aceites de poca viscosidad. Un aceite viscoso exige una potencia innecesariamente grande y hace que las válvulas tengan más tendencia a pegarse y romperse. Para muy altas presiones, se emplean, sin embargo, algunas veces los aceites viscosos para mejora la hermeticidad, aunque la temperatura del gas sea más baja. A ser posible se utilizara el aceite para el engrase del cilindro y de la transmisión, pues ello facilita la recuperación y nuevo empleo del aceite.

Tipos de compresores Alternativos o de Émbolo

Compresor de émbolo oscilante

Este es el tipo de compresor más difundido actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta presión.

Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa por el primer émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión es, en conformidad con la relación, más pequeño. Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema refrigeración.

Compresor de membrana

Una membrana separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas móviles. Por tanto, en todo caso, el aire comprimido estará exento de aceite. Estos, compresores se emplean con preferencia en las industrias alimenticias farmacéuticas y químicas.

Compresor de émbolo rotativo

Consiste en un émbolo que está animado de un movimiento rotatorio. El aire es comprimido por la continua reducción del volumen en un recinto hermético.

COMPRESORES ROTATORIOS

Se denominan compresores rotatorios a aquellos grupos que producen aire comprimido por un sistema rotatorio y continuo, es decir, que empujan el aire desde la aspiración hacia la salida, comprimiéndolo.

Química de la combustión Página 21

Motores de combustión interna y compresores

Se distinguen los siguientes tipos:

Compresores de tornillo

Esencialmente se componen de un par de motores que tienen lóbulos helicoidales de engrane constante.

La compresión por motores paralelos puede producirse también en el sentido axial con el uso de lóbulos en espira a la manera de un tornillo sin fin. Acoplando dos motores de este tipo, uno convexo y otro cóncavo, y haciéndolos girar en sentidos opuestos se logra desplazar el gas, paralelamente a los dos ejes, entre los lóbulos y la carcaza.

Las revoluciones sucesivas de los lóbulos reducen progresivamente el volumen de gas atrapado y por consiguiente su presión, el gas así comprimido es forzado axialmente por la rotación de los lóbulos helicoidales hasta 1ª descarga.

Compresores de paletas deslizantes

El motor es excéntrico en relación a la carcasa o el cilindro, y lleva una serie de aletas que se ajustan contra las paredes de la carcasa debido a la fuerza centrífuga.

Este tipo de compresores consiste básicamente de una cavidad cilíndrica dentro de la cual esta ubicado en forma excéntrica un motor con ranuras profundas, unas paletas rectangulares se deslizan libremente dentro de las ranuras de forma que al girar el motor la fuerza centrifuga empuja las paletas contra la pared del cilindro. El gas al entrar, es atrapado en los espacios que forman las paletas y la pared de la cavidad cilíndrica es comprimida al disminuir el volumen de estos espacios durante la rotación.

Compresores soplantes

Se conocen como compresores de doble motor o de doble impulsor aquellos que trabajan con dos motores acoplados, montados sobre ejes paralelos, para una misma etapa de compresión. Una máquina de este tipo muy difundida es el compresor de lóbulos mayor conocida como "Roots", de gran ampliación como alimentador de los motores diesel o compresores de gases a presión moderada. Los motores, por lo general, de dos o tres lóbulos están conectados mediante engranajes exteriores. El gas que entra al soplador queda atrapado entre los lóbulos y la carcaza; con el movimiento de los motores de la máquina, por donde sale, no pudieron regresarse debido al estrecho juego existente entre los lóbulos que se desplazan por el lado interno.

DESCRIPCIÓN DE COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO

COMPRESORES CENTRÍFUGOS

El principio de funcionamiento de un compresor centrífugo (Fig. 32) es el mismo que el de una bomba centrífuga, su diferencial principal es que el aire o el gas manejado en un compresor es compresible, mientras que los líquidos con los que trabaja una bomba, son prácticamente incompresibles. Los compresores centrífugos pueden desarrollar una presión en su interior, que depende de la naturaleza y las condiciones del gas que manejan y es virtualmente independiente de la carga del procesamiento. Las condiciones que es preciso tomar en cuenta son:

1. La presión barométrica mas baja2. La presión de admisión mas baja3. La temperatura máxima de admisión4. La razón mas alta de calores específicos5. La menor densidad relativa6. El volumen máximo de admisión7. La presión máxima de descarga

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

La mayoría de los compresores centrífugos funcionan a velocidades de 3.500 RPM (revoluciones por minuto) o superiores y uno de los factores limitantes es el de la fatiga del impulsor. Los impulsores de los compresores centrífugos son por lo común motores eléctricos o turbinas de vapor o gas, con o sin engranajes de aumento de velocidad.

En un compresor, como en una bomba centrífuga, la carga es independiente del fluido que se maneje.

Los compresores centrífugos constan esencialmente de: caja, volutas, rodetes impulsores, un eje y un sistema de lubricación.

Las volutas convierten la energía cinética del gas desarrollada por los impulsores en energía potencial o presión. La caja es la cubierta en que van ajustadas las volutas y esta proyectada para la presión a la que se ha de comprimir el gas.

La caja se construye adaptándola a la aplicación particular y puede ser de hierro colado, acero estructural o fundición de acero.

La compresión de un gas en un compresor centrífugo requiere con frecuencia un medio de ocluir el gas para evitar su fuga a la atmósfera o su contaminación. Existen varios tipos de oclusores:

Química de la combustión Página 22

Motores de combustión interna y compresores

1. el de cierre mecánico con anillo de carbón2. el gas inerte3. el directo de aceite en el cojinete del compresor y los de gasto de aceite

Todos están diseñados principalmente como cierre de funcionamiento y no de paro.

Los compresores centrífugos se utilizan para una gran variedad de servicios, incluyendo

1.2. enfriamiento y desecación,3. suministro de aire de combustión a hornos y calderas,4. sopladores de altos hornos, cúpulas y convertidores,5. transporte de materiales sólidos,6. procesos de flotación,7. por agitación y aereación, por ventilación,8. como eliminadores y para comprimir gases o vapor

Compresor Axial

El compresor axial se desarrollo para utilizarse con turbinas de gas y posee diversas ventajas para servicios en motores de reacción de la aviación. Su aceptación por la industria para instalaciones estacionarias fue lenta; pero se construyeron varias unidades de gran capacidad para altos hornos, elevadores de la presión de gas y servicios en túneles aerodinámicos.

En los compresores de este tipo (Fig. 33), la corriente de aire fluye en dirección axial, a través de una serie de paletas giratorios de un motor y de los fijos de un estator, que están concéntricos respecto al eje de rotación. A diferencia de la turbina, que también emplea los paletas de un motor y los de un estator, el recorrido de la corriente de un compresor axial va disminuyendo de área de su sección transversal, en la dirección de la corriente en proporción a la reducción de volumen del aire según progresa la compresión de escalón a escalón.

Una vez suministrado el aire al compresor por el conducto de admisión, pasa la corriente a través de un juego de paletas directores de entrara, que preparan la corriente para el primer escalón de del compresor. Al entrar en el grupo de paletas giratorios, la corriente de aire, que tiene una dirección general axial se defecta en la dirección de la rotación. Este cambio de dirección de la corriente viene acompañado de una disminución de la velocidad, con la consiguiente elevación de presión por efecto de difusión. Al pasar la corriente a través del otro grupo de paletas del estator se lo para y endereza, después de lo cual es recogida por el escalón siguiente de paletas rotatorios, donde continúa el proceso de presurización.

Un compresor axial simple puede estar constituido teóricamente por varias etapas según sea necesario, pero esto puede producir que a determinadas velocidades las ultimas etapas funcionen con bajo rendimiento y las primeras etapas trabajen sobrecargadas. Esto puede ser corregido ya sea con extracción de aire entre etapas o se puede conseguir mucha mayor flexibilidad y rendimiento partiendo el compresor en dos sistemas rotatorios completamente independientes mecánicamente, cada uno arrastrado por su propia turbina. El compresor de alta tiene paletas más cortos que el de baja y es mas ligero de peso. Puesto que el trabajo de compresión de compresor de alta trabaja a mayor temperatura que el de baja se podrán conseguir velocidades mas altas antes de que las puntas de los paletas alcancen su número de Mach límite, ya que la velocidad del sonido aumento a mayor temperatura. Por consiguiente el compresor de alta podrá rodar a mayor velocidad que el de baja.

El aire al salir del compresor pasa a través de un difusor que lo prepara para entrar a la cámara de combustión.

Para ver el gráfico seleccione la opción "Descargar" del menú superior

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS COMPRESORES

Compresores Alternativos

El uso de lubricantes en los compresores alternativos el causante de sus principales ventajas y desventajas.

Un compresor lubricado durara mas que uno que no lo esta. Hay que tener cuidado de no lubricar en exceso, porque la carbonización del aceite en las válvulas puede ocasionar adherencias y sobrecalentamiento. Además, los tubos de descarga saturados con aceite son un riesgo potencial de incendio, por lo que se debe colocar corriente abajo un separador para eliminar el aceite. Los problemas mas grandes en los compresores con cilindro lubricado son la suciedad y la humedad, pues destruyen la película de aceite dentro del cilindro.

En los compresores sin lubricación la suciedad suele ser el problemas mas serio, y hay otros problemas que puede ocasionar el gas en si. Por ejemplo, un gas absolutamente seco puede ocasionar un severo desgaste de los anillos.

Compresores Rotatorios

El diseño de anillo de agua tiene la ventaja de que el gas no hace contacto con las partes rotatorias metálicas. Los aspectos críticos son la presión de vapor del gas de entrada, comparada con la presión de vapor del liquido que forma el anillo de agua y el aumento de temperatura en el mismo. La presión de vapor del fluido para sellos debe ser muy inferior al punto de ebullición, porque de otra forma se evaporara el anillo de agua, ocasionara perdida de capacidad y quizás serios daños por sobrecalentamiento.

Química de la combustión Página 23

Motores de combustión interna y compresores

Compresores Centrífugos

Ventajas:

1. En el intervalo de 2.000 a 200.000 ft3/min., y según sea la relación de presión, este compresor es económico porque se puede instalar en una sola unidad.2. Ofrece una variación bastante amplia en el flujo con un cambio pequeño en la carga.3. La ausencia de piezas rozantes en la corriente de compresión permite trabajar un largo tiempo entre intervalos de mantenimiento, siempre y cuando los sistemas

auxiliares de aceites lubricantes y aceites de sellos estén correctos.4. Se pueden obtener grandes volúmenes en un lugar de tamaño pequeño. Esto puede ser una ventaja cuando el terreno es muy costoso.5. Su característica es un flujo suave y libre de pulsaciones.

Desventajas:

1. Los compresores centrífugos son sensibles al peso molecular del gas que se comprime. Los cambios imprevistos en el peso molecular pueden hacer que las presiones de descarga sean muy altas o muy bajas.

2. Se necesitan velocidades muy altas en las puntas para producir la presión. Con la tendencia a reducir el tamaño y a aumentar el flujo, hay que tener mucho mas cuidado al balancear los motores y con los materiales empleados en componentes sometidos a grandes esfuerzos.

3. Un aumento pequeño en la caída de presión en el sistema de proceso puede ocasionar reducciones muy grandes en el volumen del compresor.4. Se requiere un complicado sistema para aceite lubricante y aceite para sellos.

Compresores Axiales

La alta eficiencia y la capacidad mas elevada son las únicas ventajas importantes que tienen los compresores de flujo axial sobre las maquinas centrífugas, para las instalaciones estacionarias. Su tamaño y su peso menores no tienen mucha valor, tomando en cuenta, sobre todo, el hecho de que los precios son comparables a los de las maquinas centrífugas diseñadas para las mismas condiciones. Las desventajas incluyen una gama operacional limitada, mayor vulnerabilidad a la corrosión y la erosión y propensión a las deposiciones

Leer más: http://www.monografias.com/trabajos23/bombas-y-compresores/bombas-y-compresores.shtml#compresor#ixzz2rFMNA3SP

Química de la combustión Página 24

Motores de combustión interna y compresores

Proceso Adiabático

Un proceso adiabático es aquel en que el sistema no pierde ni gana calor. La primera ley de Termodinámica con Q=0 muestra que todos los cambios en la energía interna estan en forma de trabajo realizado. Esto pone una limitación al proceso del motor térmico que le lleva a la condición adiabática mostrada abajo. Esta condición se puede usar para derivar expresiones del trabajo realizado durante un proceso adiabático.

La relación entre los calores específicos γ = CP/CV, es un factor en la determinación de la velocidad del sonido en un gas y otros procesos adiabáticos, así como esta aplicación a los motores térmicos. Esta proporción γ = 1,66 para un gas monoatómico ideal y γ = 1,4 para el aire, el cual es predominantemente un gas diatómico.

Índice

Conceptos sobre

Motores Térmicos

HyperPhysics*****Termodinámica M Olmo R NaveAtrás

Química de la combustión Página 25

Motores de combustión interna y compresores

Proceso Adiabático

Índice

Conceptos sobre

Motores Térmicos

HyperPhysics*****Termodinámica M Olmo R NaveAtrás

Química de la combustión Página 26

Motores de combustión interna y compresores

Proceso Adiabático

Para un gas ideal consistente de n = moles de gas, consideramos un proceso adiabático que supone la expansión desde

=

a = =

a temperatura inicial = K

Nota: Si se cambian el volumen o temperatura iniciales, se calculará nuevos valores de presión para corresponder con el número de moles del gas de arriba.

Con el volumen inicial y la temperatura especificada, la presión inicial es determinada por la ley de gas ideal:

Usando , = kPa = x10^ Pa

(Nota: Si se cambia la presión inicial, entonces se calculará un nuevo valor de moles, para ser consistente con el volumen inicial y la temperatura especificada arriba. Si quiere limitar el número de moles a los valores suministrados, introduzca ese valor así como los valores de volumen inicial y temperatura (se calculará la presión requerida).

El comportamiento detallado de la presión y temperatura depende de los calores específicos del gas:

A presión constante = J/mol K

A volumen constante = J/mol K

El calor específico determina la proporción, =

Química de la combustión Página 27

7

0.2

0.6

2400

698.41 0.6984 6

20.814

12.5

1.6651

Motores de combustión interna y compresores

Note que el valor de γ está determinado por los gases, siendo los valores mas comunes γaire = 1,4 y γgas monoatómico = 1,66 .

Se puede aplicar la condición adiabática para determinar la constante K .

=

Se puede determinar el trabajo hecho por el gas. Si el volumen final es menor que el inicial, el trabajo se realiza sobre el gas y el trabajo será negativo.

= J = x10^ J

La presión final del proceso se puede determinar desde la condición adiabática:

= kPa = x10^ Pa

y se puede obtener la temperatura final de la ley de gas ideal.

= K

La temperatura inicial especificada en el cálculo del trabajo debe estar en grados Kelvin, de modo que tienen que convertirse desde las otras escalas.

= K = °C = °F

Química de la combustión Página 28

47887.

... 1.0887 5

112.10 1.1210 5

1155.7

2400 2126.8 3860.3