Combustión Y Aplicación De Los Ciclos Termodinámicos

COMBUSTIÓN Y APLICACIÓN DE LOS CICLOS TERMODINÁMICOS

INTRODUCCIÓN.
Se entiende por combustión a la reacción química que se efectúa al unirse un material combustible con oxígeno o aire, generalmente acompañado de una llama.
Los grados de la combustión varían ampliamente, iniciando con la combustión lenta hasta la muy rápida o detonación.
La combustión encuentra aplicación en los motores decombustión interna, plantas de generación de vapor, hornos, calentadores, etc.
Al analizar un proceso de combustión, es indispensable hacer ciertas preguntas; como por ejemplo: ¿Qué cantidad de energía se libera durante la combustión?, ¿Cuánta masa de aire se requiere para quemar cierta masa de combustible?, ¿Cuál es la composición de los productos de la combustión?, etc.
A los gases de escapede los motores y hogares se les denominan productos de la combustión, la composición de estos productos depende de varios factores, como: el tipo de combustible utilizado, la relación aire-combustible y de las condiciones en que se efectúa la combustión.
Los combustibles en su mayoría, están constituidos básicamente por carbono, hidrógeno y pequeñas cantidades de azufre como elementoscombustibles.
Entre ellos, se mencionan al carbón, combustóleo, gasolina, diesel, gas natural, gas LP, etc.
Los productos de la combustión generalmente contienen anhídrido carbónico, óxido de carbono, oxígeno, nitrógeno, carbono libre, cenizas ligeras, vapor de agua, anhídrido sulfuroso e hidrocarburos no quemados, siendo la mayoría de estos invisibles.

2.1 QUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN.
Una reacciónquímica se basa en el principio de conservación de la materia, en términos de la conservación de átomos. A manera de ejemplo, considere la combustión del metano (CH4) con oxígeno (O2), la combustión completa implica que el carbono al reaccionar con el oxígeno, se convierte en dióxido de carbono (CO2); el hidrógeno en agua (H2O); y el azufre, si existe en dióxido de azufre (SO2). Así la combustióndel metano con oxígeno, puede expresarse mediante la siguiente reacción.
CH4+O2→CO2+H2O

Sin embargo para determinar el número de moles en cada componente, que satisfaga los requisitos impuestos por el principio de conservación de la materia, es necesario realizar balances de carbono, hidrógeno y oxígeno. Esto es:

Balance de carbono (C reactivos = C productos)
CH4→CO2
Balance dehidrógeno (H reactivos = H productos)
CH4→2H2O
Balance de oxígeno (O reactivos = O productos)
2O2→CO2+2H2O

En consecuencia la ecuación de combustión completa del metano con oxígeno, queda

CH4+2O2→CO2+2H2O (2.1)

Lo cual quiere decir, que 1 mol de metano reacciona con 2 moles de oxígeno, para formar 1 mol de dióxido de carbono y 2 moles de agua.
Por otra parte la mismaecuación establece en función del peso molecular, que 16 Kg. de metano reaccionan con 64 Kg. de oxígeno para formar 44 Kg. de dióxido de carbono y 36 Kg. de agua.
El agua formada puede encontrarse en los productos como vapor, líquido o como sólido, según las condiciones de presión y temperatura de los productos.
En la mayoría de los procesos de combustión el oxígeno se suministra a través del aireambiente.
Como se sabe, el aire esta constituido por una mezcla de gases ideales que se encuentran a una misma presión y temperatura; y ocupan el mismo volumen; de tal manera que cualquiera de sus elementos puede ser expresado como un % gravimétrico (peso) o volumétrico (volumen) de la mezcla.
Por otra parte para propósitos prácticos suele decirse que el aire esta constituido básicamente por un23.2 % de oxígeno y 76.8 % de nitrógeno en peso (análisis gravimétrico) y 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno en volumen (análisis volumétrico).

Además el peso molecular del aire en forma aproximada es 29 mol-1. Así, haciendo referencia al análisis volumétrico, podemos decir que por cada mol de oxígeno en el aire, hay 79/21=3.76 moles de nitrógeno presente. Así, la ecuación (2.1) queda:...