Combustio

Un motor Diesel trabaja con un petróleo ligero de composición global CnH1,8n que tiene peso molar medio de 170 kg/kmol, densidad de 0,8 kg/m3 y PCI= 43200 kJ/kg. El motor desarrolla una potencia útil de 250 HP y tiene un rendimiento total de 36%. Los gases de escape salen inicialmente con 4% de CO y 5% de O2 a 347 °C. Con ajustes en el motor se consigue ajustar los gases de escape a 2% de CO y2,5% de O2.
Calcular:
a) El rendimiento de la combustión para las condiciones iniciales.
b) El consumo de combustible para las condiciones iniciales en lt/min.
c) El coeficiente de exceso de aire λ para las condiciones iniciales.
d) Las relaciones RAC y RHC en kg de aire/kg de combustible y kg de gases de escape/kg de combustibles, respectivamente.
e) La composiciónmolar de los gases de escape para las condiciones iniciales.
f) El volumen de gases de escape en lt/min en las condiciones iniciales.
g) El rendimiento de la combustión una vez realizado los ajustes al motor.
h) El consumo de combustible para las nuevas condiciones iniciales en lt/min.
i) El coeficiente de exceso de aire para las nuevas condiciones.
j) Las relaciones RAC yRHC en las mismas unidades antes indicadas.
k) La composición molar de los gases de escape para las nuevas condiciones.
l) El volumen de gases de escape en lt/min para las nuevas condiciones.

Nota considere para ambos casos que el aire y el combustible entran a 25 °C al proceso de combustión.

Solucion:
Sea la ecuación química
Cn H1,8n+ a O2 + 3,76a N2 =b CO2 + c H2O+ 3,76a N2Utilizando el peso molar medio (Mn) de 170 kg/kmol
170 = n x 12,011 + 1,8n x 1,008
Luego
n = 12, 2962 = 12
1,8n = 22,1331 = 22
Por lo tanto
C12 H22+ a O2 + 3,76a N2 =b CO2 + c H2O+ 3,76a N2

C: 12 = b
H: 22 = 2c → c = 11
O: 2 a = 2 b + c→ a = 17,5
Reemplazado los datos
C12 H22+ 17,5 O2 + 65,8 N2 =12 CO2 + 11 H2O+ 65,8 N2

P= 12-393.520 +11-241.820= -7.382.260 kJ/kmol
R= hfC12 H22ó
Si PCI = 43200 kJ/kg
PCI= QcombMn= P - R Mn → R =P - PCI xMn
R =-7382260+7344000=-38260 kJ/kmol
Luego
hfC12 H22ó =-38260 kJ/kmol

C12 H22+ a O2 + 3,76 a N2 =b CO2 + c CO+ 11 H2O+d O2 + 3,76 a N2
C:12 = b + c
O: 2 a = 2 b + c + 11 + 2d
CO: cb+c+11+d+3,76a=0,04
O2: db+c+11+d+3,76a =0,05
Luego
a=20,6820
b=7,7573
c = 4,2427
d = 5,3034

C12 H22+ 20,6820 O2 + 77,7643 N2 = 7,7573CO2 + 4,2427 CO+ 11 H2O+ 5,3034 O2 + 77,7643 N2


P= 7,7573(-393520+23321-9364) + 11 (-241820 +21130-9904) +4,2427 (-110530+18221-9364) + 5,3034 (18572 - 8682 ) + 77,7643 ( 18166 - 8669)
P= = -51121307,914 kJ/kmol

R= -38260 kj/kmol

Sea
Qcomb=P - R
Qcomb=|-5112307,914-(-38260)|=5083047,914kJkmol=29900,28 kj/kg


a) El rendimiento de la combustión para lascondiciones iniciales.

η=|Qcomb|PCI=|29900,28|43200=69,21%


b) El consumo de combustible para las condiciones iniciales en lt/min.
1 HP= 0,75 kW → 250 HP = 187,5kW (W =J/s)

PotenciaηT=P.C x masa comb → masa comb= PotenciaηT x P.C
masa comb= 187,5 k J/s 0,36 x 29900,28 kJ/kg=0,0174 kg combustible/s

Sea la densidad ρ = 0,8 kg/m3
V=masa combρ=0,01740,8 (kg/s)(kg/m3)=0,02175 (m3s)

Luego conversión de unidades

V=0,02175m3s*601 smin*10,001 ltm3
V = 1305 lt/m3

c) El coeficiente de exceso de aire λ para las condiciones iniciales.

λ=20,682017,5≅1,1818

d) Las relaciones RAC y RHC en kg de aire/kg de combustible y kg de gases de escape/kg de combustibles, respectivamente.

M aire = 20,6820 (32) + 77,7643 (28,016) = 2840,46( kg...