La Combustión Es Una Reacción Química Fuertemente Exotérmica Entre Una Sustancia Combustible Y El Oxígeno Del Aire.docx

La combustión es una reacción química fuertemente exotérmica entre una sustancia combustible y el oxígeno del aire. Como en toda reacción química exotérmica se produce la rotura de enlaces químicos y se forman otros nuevos que requieren menor energía, dando lugar a sustancias con menor energía química. FENÓMENOS QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN. ECUACIONES DE GOBIERNO: El proceso de combustión es básicamente una reacción química compleja entre el oxígeno del aire y un combustible, cuya composición no se ajusta, en general, a una sustancia concreta sino que es una mezcla de compuestos orgánicos. Por tanto, para analizar en profundidad el proceso de combustión y poder llegar a predecir con exactitud la composición de los productos de la combustión y la temperatura final de dichos productos, a partir de una determinada composición y estado termodinámico de los reactantes, es necesario abordar aspectos químicos de la combustión pero también tomar en consideración aspectos físicos del proceso, lo que conlleva resolver conjuntamente las ecuaciones que gobiernan dichos fenómenos, que serían las siguientes: 1. Ecuación de conservación de la masa o de la continuidad 2. Ecuaciones de la conservación de la cantidad de movimiento (una por cada coordenada espacial) 3. Ecuación de conservación de la energía 4. Ecuaciones que establecen la variación de la concentración de cada una de las especies químicas (nº de especies –1) y ecuación que establece que la suma de las fracciones másicas es igual a la unidad.

5. Ecuación de estado de los gases perfectos aplicada a la mezcla de gases reactantes y a la mezcla de los productos de la combustión. 6. Modelo de turbulencia para calcular la intensidad y la escala de la turbulencia. REACCIÓN ESTEQUIOMÉTRICA Ajuste de la reacción estequiométrica

Resolviendo las ecuaciones, se obtienen las siguientes expresiones:

COMBUSTIÓN COMPLETA CON EXCESO DE AIRE: el proceso de combustión se lleva a cabo con una proporción de aire que supera la cantidad estequiométrica. En motores térmicos lo habitual es utilizar el parámetro dosado relativo, que permite de forma sencilla identificar si se está trabajando con exceso o bien con defecto de aire en relación con la proporción estequiométrica. En ese sentido, un dosado pobre (FR<1) indica un exceso de aire.

El coeficiente, que se suele expresar en tanto por ciento, se relaciona con el dosado relativo a partir de las siguientes expresiones:

Cálculo del dosado estequiométrico Se denomina dosado estequiométrico al cociente entre la masa de combustible y la masa de aire en una reacción en la que los reactantes están en la proporción justa o estequiométrica.

Un dosado pobre de 0,8 implica un coeficiente de exceso de aire n = 1,25 y, por tanto, un exceso de aire del 25%. Para que la combustión se inicie y se desarrolle, el dosado de la mezcla tiene que estar comprendido entre ciertos valores denominados límites de inflamabilidad lo que supone que el dosado relativo debe estar comprendido aproximadamente en el rango:

3 > FR > 0,5 Los límites de inflamabilidad dependen, no obstante, del combustible, de la posible presencia de gases inertes y, de manera particular, de las condiciones de presión y temperatura de la mezcla. Ajuste de reacción con exceso de aire: Se va a suponer también en este caso que la combustión se realiza de forma completa, no existiendo presencia de monóxido de carbono ni hidrocarburos sin quemar en los productos de la combustión que estarán formados exclusivamente por CO2, H2O, N2 y O2 como consecuencia del exceso de aire. En este caso las cuatro ecuaciones de balance atómico de los 4 elementos: C, H, O y N, serán suficientes para obtener la composición de los productos de la combustión por mol de combustible. MECANISMO DE LA REACCIÓN DE COMBUSTIÓN: La reacción de combustión es, por tanto, compleja y lleva asociado un mecanismo de reacción en el que intervienen como reactantes un número de compuestos inestables que aparecen en la mayoría de los casos de forma temporal, ya que las moléculas del combustible se descomponen por efecto del calor en compuestos más ligeros y radicales (por ejemplo, CH3, C2H3, entre otros). Se produce un proceso en cadena al interaccionar distintos compuestos, reaccionando, combinándose y descomponiéndose. En el caso de la combustión del metano, forman parte del mecanismo de combustión reacciones como las siguientes:

Velocidad de la reacción química: Por la ley de acción de masas, la velocidad de reacción depende de una constante de velocidad k y es proporcional al producto de las concentraciones de los reactantes elevadas a sus coeficientes estequiométrico.

Constante de velocidad:

La velocidad de la reacción global de combustión podría expresarse de la siguiente forma:

COMBUSTIÓN INCOMPLETA: Es muy frecuente que no se produzca la reacción de combustión de forma completa, es decir, que el proceso de combustión no termina realmente, debido, entre otros, a los siguientes motivos:

— Se requiere un tiempo de reacción que varía para las distintas reacciones simples que intervienen en el mecanismo de reacción, y a veces no se dispone de ese tiempo. — Falta de oxígeno suficiente para la reacción debido a un dosado inadecuado o a una mezcla imperfecta del combustible y el aire. — Se producen reacciones de disociación del CO2 y el H2O, formándose CO, OH, H, H2 , O, entre otros. Composición de los productos de la combustión: La composición de los productos de la combustión depende de las condiciones finales de presión y temperatura de los mismos, así como del combustible y del dosado de la mezcla inicial. — Mezcla pobre (FR<1) Productos mayoritarios3: N2, H2O, CO2, O2. — Mezcla estequiométrica (FR=1) Productos mayoritarios: N2, H2O, CO2. — Mezcla rica (13) dentro de los límites de inflamabilidad. En este caso, además de los correspondientes a mezcla rica, entre los productos de la combustión se encuentran partículas de carbono e hidrocarburos sin quemar de menor peso molecular que el combustible. BALANCE ENERGÉTICO EN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN: Se va a aplicar el Primer Principio de la termodinámica a sistemas en los que tiene lugar un proceso de combustión. La entalpía de formación representa la energía química de la sustancia, y se define como la energía requerida para formar una sustancia en el estado estándar

a partir de sus elementos en ese mismo estado. Procesos estacionarios en sistemas abiertos: En el caso de procesos de combustión estacionarios en sistemas abiertos cabe distinguir dos situaciones diferentes, según los productos de la combustión cedan o no energía térmica al entorno. Procesos de combustión adiabáticos. Temperatura adiabática de la Llama: En el caso de que el proceso de combustión se realice de forma adiabática en un sistema abierto la energía liberada en el proceso de combustión se empleará íntegramente en aumentar la energía sensible de los productos de la combustión.

Mediante la ecuación de balance se puede obtener, mediante un cálculo iterativo, el valor de la temperatura alcanzada por los productos para una determinada temperatura inicial de los reactantes, ya que se conocen los valores de los coeficientes estequiométricos, una vez ajustada la reacción. Se denomina temperatura adiabática de la llama, a la temperatura de los productos de la combustión suponiendo combustión completa y proceso adiabático. Procesos de combustión con transmisión de calor a un segundo

fluido caloportador: La energía liberada en la reacción puede transmitirse desde los gases producto de la combustión al entorno, interviniendo los mecanismos de radiación, convección y conducción. Dicha energía se emplea, en ese caso, en aumentar el estado térmico de otro fluido que ve incrementada su energía sensible incluso puede llegar a vaporizarse si se le aporta la energía térmica suficiente (calor latente de vaporización).

Considerando también en este caso que reactantes y productos están a diferente temperatura, T1 y T2 respectivamente, se tendrá:

En el caso de que la temperatura final de los productos coincida con la de los reactantes, a la energía térmica extraída se la denomina calor de reacción:

Poder calorífico inferior del combustible:

El calor de reacción a condiciones estándar, pero con signo positivo, recibe el nombre de poder calorífico del combustible. El poder calorífico se denomina inferior cuando el agua formada en la combustión está en estado gaseoso y superior si se halla en estado líquido, habiendo cedido su calor

latente de vaporización como parte del calor de reacción. Procesos no estacionarios en sistemas cerrados: El planteamiento es más complejo si el proceso no es estacionario, como ocurre en los motores de combustión interna alternativos, donde la combustión tiene lugar en un sistema cerrado. Al aplicar el Primer Principio de la Termodinámica entre los instantes inicial y final del proceso habrá que tener en cuenta que tiene lugar un intercambio de trabajo con el exterior y que durante el proceso de combustión se produce transmisión de calor al agua de refrigeración, se tendría:

A partir de la ecuación anterior para una reacción de combustión concreta y suponiendo que se conozca la temperatura de los reactivos (T1) y la de los productos (T2), se podría obtener, por ejemplo: — El calor extraído por mol de combustible, suponiendo que el proceso de combustión se desarrolla a volumen constante (w=0). — El trabajo desarrollado, suponiendo que el proceso es adiabático (q=0). RENDIMIENTO DE LA COMBUSTIÓN El rendimiento de la combustión establece el cociente entre la energía aprovechada y la energía teórica obtenible. a) Existe transmisión de calor a un segundo fluido

caloportador, Este es el caso de las calderas y los generadores de vapor, ya sean equipos empleados en procesos de calentamiento o bien integrados en los motores de combustión externa. El rendimiento de estos equipos puede definirse a través de la siguiente relación: