Combustibles y Combustión

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES Combustibles y Combustión Master de la Ingeniería de la Energía Introducción a la combustión: (3 h) Leyes de conservación y formulación matemática Bibliografía: Theoretical and Numerical Combustion. Thierry Poinsot y Denis Veynante. http://elearning.cerfacs.fr/combustion Teoría de la Combustión. Consuelo Sánchez Naranjo. UNED Prof: Jaime Carpio Huertas jaime.carpio@upm.es 1

Definiciones Combustión: Reacción química entre el oxígeno y un material oxidable, acompañada de desprendimiento de calor y que habitualmente se manifiesta por incandescencia ollama. R.A.E. (2004) Llama: Masa gaseosa en combustión, que se eleva de los cuerpos que arden y despide luz de varios colores. Calor: Energía que pasa de un cuerpo a otro y es causa de que se equilibren sus temperaturas. 2

Definiciones Para que una reacción de combustión se mantenga, son necesarios tres factores. Combustible: Energía química contenida en los enlaces de sus moléculas que será liberada. Oxidante (O2): Elemento fundamental en la oxidación y rotura de enlaces del combustible, para dar CO2, H2O y otras especies (NOx, CO, SOx). Calor: La energía química liberada se manifiesta en forma de calor. Es fundamental para el mantenimiento de la combustión (alta energía de activación). Las estrategias para la extinción del fuego para por la eliminación de alguno de estos tres factores. 3

Definiciones La reacción de combustión no se produce en todos y cada uno de los puntos del sistemas simultáneamente y de la misma forma. Existe una zona reactiva. La zona reactiva (donde se sitúa la llama) se produce donde hay reactivos y es muy sensible a la temperatura. ω n m Ea / = exp. 0 R T ( 3 mol ) i m s BCFCO 2 4

Definiciones Llamas de premezcla: - Combustible y oxidante están mezclados antes de la combustión. - Existe un frente reactivo que se desplaza c F (m/s) - Existen dos tipos de frentes: - Deflagraciones (c F =0.5 m/s) - Detonaciones (llama + onda de choque) (c F =2500m/s) Llamas de difusión: - Combustible y oxidante se mezclan durante la combustión. - No hay frente reactivo y por tanto no existe velocidad de llama. - Los reactantes llegan en direcciones opuestas. Hay situaciones intermedias entre las dos anteriores. 5

Esquema de llama de premezcla Llama propagándose en un tubo: 6

Esquema de llama de premezcla Llama hacia una región fresca 7

Esquema de llama de premezcla Llama propagándose en un tubo con pérdida de calor 8

Esquema de llama de premezcla Mechero Bunsen: 9

Esquema de llama de premezcla Motores de gasolina: En los motores de combustión interna alternativos de gasolina se produce este tipo de combustión, el frente de llama es esférico y avanza hacia la zona de mezcla fresca (sin reaccionar) dejando detrás los productos de la combustión. 10

Esquema de llama de difusión En una llama de difusión, la combustion tiene luegar en una zona muy delgada, donde el combustible se encuentra con el oxigeno en la proporción estequiométrica. En el interior de la llama solamente existe combustible inquemado, mientras que en el exterior solamente existe el aire. 11

Esquema de llama de difusión Velas Cerillas Estufas Hornos Calderas Motores Diesel Calderas de fuel-oil Combustión de madera Combustión de carbón 12

Llamas de difusión sometidas a la gravedad 13

Esquema de llama de difusión Turbulentas 14

Situaciones intermedias: Llamas levitadas 15

Situaciones intermedias: Llama triple 16

Situaciones intermedias: Mechero Bunsen con mezcla rica 19

Situaciones intermedias Diferentes tipos de llamas de un mechero Bunsen dependiendo del oxigeno suministrado. A la izquierda (1) una corriente rica en combustible sin premezclar con oxigeno produce una llama amarilla de difusión (fruto del hollín). A la derecha (4) una corriente pobre premezclada produce una llama azul (sin hollín). Llama de difusión azul en microgravedad donde no se produce hollín. 20

Ejercicios 21

Mezclas multicomponentes Los procesos de combustión implican la mezcla de muchos gases diferentes. Para cuantificar la cantidad de una especie en la mezcla se define: Fracción másica de k: Fracción molar de k: Concentración de k: Relaciones entre ellas Masa molecular media

Ecuación de estado Los procesos de combustión tienen lugar en fase gaseosa. Suponemos se comportan como gases ideales Mezcla de gases ideales: Ley de Dalton (La presión total es igual a la suma de las presiones parciales): Ecuación de estado:

Estequiometría y dosado La combustión completa de un hidrocarburo CxHy nos da la relación estequiométrica (Aunque generalmente la reacción no es casi nunca completa por lo que en los productos también se observa CO, H2, cenizas, NOx, ) Dosado: Dosado estequiomético: con Dosado relativo

Ejercicio: Estequiometría y dosado En una reacción química entre metano CH4 y aire en condiciones estequiométricas calcular las fracción másica y molar de metano.

Ejercicio: Estequiometría y dosado Una mezcla de H2 y O2 puro tiene un dosado relativo Φ=0.8. Calcular la fracción másica YH2 y fracción molar XH2 de hidrogeno.

Ejercicio: Estequiometría y dosado

Ecuación calórica de estado La entalpía h depende de la composición de la mezcla La dependencia de la entalpía de la especie i con la temperatura viene dada por: : Entalpía de formación. Se relaciona con la energía química almacenada en los enlaces químicos de la molécula. Se consideran cero para las sustancias en su estado natural. : Es entalpía sensible. Asociada al aumento de temperatura de la especie respecto a la referencia.

Ecuación calórica de estado

Ejercicio: Ec calórica de estado En una reacción estequiométrica entre H2 y aire calcular la entalpia de los productos a temperatura 2500K. Expresarla en (J/mol) y (kj/kg)

Ecuaciones de conservación Las incógnitas en un problema de combustión : 3 componentes. para definir el campo de velocidades del fluido. : k=1,2,,m-1, ya que para definir la composición de una mezcla de M componentes. 2 variables de estado. Que suelen ser presión y temperatura. Luego tenemos 5+(N-1) variables y por lo tanto necesitamos 5+(N-1) ecuaciones de conservación en derivadas parciales.

Ecuaciones de conservación Ecuación de conservación de masa Ecuación de conservación de las facciones másicas de las especies químicas. Ecuación de conservación de la cantidad de movimiento Ecuación de conservación de la energía

Ecuaciones de conservación Procedimiento general: Tma de transporte de Reynolds aplicado a Vf. Tma de la divergencia o teorema de Gauss. 36

Ec. conserv. masa Ec. conservación de masa o continuidad: 1ª forma de la ec. continuidad. Teniendo en cuenta esta propiedad 2ª forma de la ec. continuidad. 37

Ec. conserv. masa de las especies Ec. conservación de las fracciones másicas para cada una de las especies de la mezcla reactiva: Siendo: 38

Ec. conserv. cantidad de movimiento 39

Ec. conservación energía I Ecuación de conservación de la energía total Ecuación de conservación de la energía interna 40

Ec. conservación energía II Ecuación de conservación de la energía interna Se obtiene restando las dos ecuaciones anteriores Teniendo en cuenta estas relaciones: 41

Ec. conservación energía III Ecuación de conservación de la entalpía Se obtiene de la anterior teniendo en cuenta esta relación entre energía interna y entalpía Teniendo en cuenta estas relaciones: Por lo que: 42

Ec. conservación energía IV Ecuación de conservación de la entalpía sensible Ahora vamos a considerar que la entalpía se puede dividir en dos contribuciones: Entalpía sensible y entalpía de formación El calor de conducción se puede modelar como (Ley de Fourier generalizada): con estas consideraciones y combinando la ec. de la entalpía con las ec. de las especies tenemos: 43

Ec. conservación energía V Ecuación de conservación de la temperatura Escribimos la entalpía sensible en función de la temperatura Sustituyendo en la ecuación de conservación de la entalpía sensible y operando: 44