Termodinámica aplicada

TERMODINÁMICA APLICADA

1. Combustibles y Combustión
Una de las fuentes convencionales más importantes de suministro de energía son los combustibles, entre ellos los fósiles, que transformados por los procesos de combustión en productos en la fase gas y a alta temperatura son usados como sustancia de trabajo o como fuente de transferencia de calor.
1.1 Combustibles
1.1.1 Definición
Sedenomina así a una sustancia o mezcla de sustancias, de características particulares, que contiene elementos oxidables y cuya reacción de oxidación es altamente exotérmica.
1.1.2 Clasificación de Combustibles
Los combustibles se clasifican teniendo en cuenta su estado de agregación en sólidos, líquidos y gaseosos. Un ejemplo de combustible sólido es el carbón o la madera. Un ejemplo de combustiblelíquido es el diesel o el petróleo residual, y de combustibles gaseosos, el propano y el gas natural.
Los combustibles fósiles son aquellos que provienen de restos orgánicos vegetales y animales y se extraen de la naturaleza. Un ejemplo es el petróleo, que si bien es un combustible, no se utiliza directamente como tal, sino como excelente materia prima de muchos combustibles, como el diesel olas gasolinas.
1.1.3 Análisis de Combustibles
Los combustibles se especifican de tres maneras:
a. Análisis gravimétrico o análisis elemental, que especifica los porcentajes en masa de los elementos químicos del combustible.
b. Análisis volumétrico, que especifica los porcentajes en volumen o en moles de las sustancias que integran el combustible. Generalmente utilizado para combustiblesgaseosos.
c. Análisis inmediato, generalmente usado para los carbonos, consiste en la determinación de la humedad (W), la materia volátil (MV), el carbono fijo (CF) y las cenizas o sustancias incombustibles (A).
Ejemplo 1.1: Una mezcla de gases producido en una planta de destilación de petróleo tiene la siguiente composición en volumen:

10 %
CO2
22 %
H2
5 %
CO
28 %
CH4
12 %
C2H4
6 %C2H6
7 %
C3H6
10 %
C3H8

El análisi gravimétrico del mismo gas es:
68.58 % C
14.94 % O2
16.48 % H2

Ejemplo 1.2: El análisis inmediato de la Antracita producido en el Valle de Alto Chicama muestra los siguientes resultados:

W
A
MV
CF
7 %
20 %
2.5 %
70.5 %

1.1.4 Propiedades de los combustibles
Las propiedades más importantes que caracterizan a los combustibles son:
• Podercalorífico.
• Viscosidad.
• Densidad.
• Límite de inflamabilidad.
• Punto de inflamabilidad o temperatura de ignición.
• Temperatura de combustión.
• Contenido de azufre.
a. Poder calorífico.
Es la máxima cantidad de calor que puede transferirse de los productos de la combustión completa, cuando éstos son enfriados desde la temperatura de la llama adiabática hasta la temperatura inicial dela mezcla aire combustible. Se expresa por unidad de masa de combustible.
Debido a que la mayoría de los combustibles contienen hidrógeno, durante la combustión se produce vapor de agua. Al enfriarse los productos, cierta cantidad de vapor de agua condensará liberando calor. El poder calorífico dependerá entonces de la cantidad de vapor de condensado.
Por otro lado, de acuerdo al proceso, lacombustión puede ser a volumen constante y a presión constante. En cada uno de estos casos, al enfriar los productos hasta la temperatura inicial de la mezcla aire-combustible, el calor transferido será diferente.
Por lo tanto, según la cantidad de condensado y el tipo de proceso, podría obtenerse una infinidad de poderes caloríficos para un mismo combustible.
Para evitar esto, para loscombustibles se determinan los siguientes poderes caloríficos:
Poder calorífico alto o superior. Es el que se obtiene cuando el vapor de agua formado durante la combustión condensa totalmente, al enfriar los productos hasta la temperatura de los reactantes.
Poder calorífico bajo o inferior. Es el que se obtiene cuando el vapor de agua no condensa, al enfriar los productos hasta la temperatura de los...