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Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA

Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión

TEMA 7: Psicometría y combustión

1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍAHumedad específica y relativa del aire.

Temperatura de punto de rocío, de saturación adiabática y de bulbo húmedo.

Diagrama psicrométrico.

2. TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS.

Equilibrio químico.

3. COMBUSTIÓN Combustibles .

Entalpía de formación y de combustión.

Temperatura de combustión adiabática.

Analisis de sístemas reactivos (1ª y 2ª Ley)

4. ANÁLISIS EXERGÉTICO



1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA

AIRE: - ATMOSFÉRICO: Mezcla de gases que se encuentra compuesta principalmente por un 21% de oxigeno, 78% denitrógeno y el resto otra serie de componentes entre los que se encuentra el vapor de agua.

- SECO: Mezcla de gases que se encuentra compuesta UNICAMENTE por oxigeno y nitrógeno.

Aire seco

Vapor de aguaComposición NO constanteCondensación/evaporación

-10 a 50 ºC Gases idealesC p constante Dh ???

P = Pa + Pv (LEY DE DALTON)

Tv <50 ºC h= f(T)h vapor de agua (T) = h vapor saturado (T)

Pv Presión que el vapor de agua ejercería si existiera sólo a la temperatura y volumen de la mezcla




PROPIEDADES DEL AIRE HÚMEDO

PROPIEDADES RELACIONADAS CON LA MASA DE VAPOR DE AGUA:

• HUMEDAD ABSOLUTA

• HUMEDAD RELATIVA

• PRESIÓN DE VAPOR

PROPIEDADES RELACIONADAS CON LA TEMPERATURA:

• TEMPERATURA DEL BULBO SECO

• TEMPERATURA DEL BULBO HÚMEDO

• TEMPERATURA DE ROCIO

PROPIEDADES RELACIONADAS CON EL VOLUMEN Y LA ENERGÍA:

• VOLUMEN ESPECÍFICO

• CALOR ESPECÍFICO

• ENTALPÍA

Termómetro ordinario

Termómetro bulbo seco

Corriente de aire

Algodón

Agua Líquida

V m/S




Humedad específica o absoluta. Masa de vapor de agua presente en una masa unitaria (kg de agua/ kg de aire seco)

Humedad relativa. (kg de agua/ kg de agua)

(J/Kg aire seco)

w kg

1 kg aire seco 1 + w kg aire humedo

Valores de la presión de saturación delaire, a distintas temperaturas, se puedenobtener de tablas

Aire seco 0<Humedad relativa<1 Aire saturado




Diagrama psicrométrico




Diagrama psicrométrico: TEMPERATURA DEL BULBO HUMEDO




Diagrama psicrométrico: HUMEDAD ESPECÍFICA




Diagrama psicrométrico: HUMEDAD RELATIVA (f)




Diagrama psicrométrico: Temperatura de Rocio




Diagrama psicrométrico: Entalpía




Diagrama psicrométrico: Volumen específico




Diagrama psicrométrico



Una habitación contiene aire a 1 atm, 23 ºC y humedad relativa del 70 %. Determine:a) Humedad específica b) Entalpía del aire secoc) Temperatura de bulbo húmedo d) Temperatura de punto de rocioe) Volumen específico del aire Use la carta psicrométrica





a) Humedad específica ( 12,5 g agua/kg aire seco)

b) Entalpía del aire seco (55,2 kJ/kg de aire seco)

c) Temperatura de bulbo húmedo (19,5 ºC)

d) Temperatura de punto de rocio (17 ºC)e) Volumen específico del aire (0,86 m3/kg

aire seco)



2. TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS

Equilibrio químico: CONSTANTES DE EQUILIBRIO

DCBA DCBA i: Coeficientes estequiométricos (relacionar el cambio en

el número de moles entre los diferentes componentes)A, B, C y D: Especies químicas.

Adn : Cambio diferencial en el número de moles de A.




Equilibrio químico: CONSTANTES DE EQUILIBRIO

C

i

iidndG1

0o

i

ioii

oii

f

fRTaRT lnln

D ioi

oRG DGR

o: Variación de la energía libre de Gibbs de la reacción en condiciones estándar (1 atm y 25 ºC).

C

i

C

i

iiii aRTaRT

1 1

)(lnln 0ln

1

D

C

i

ioR

iaRTG

R

BA

DCDCBA

C

i

i Kaa

aaaaaaa

BA

DC

DCBAi

1

Soluciones ideales, ai = ci ( ) 0ln D RoR KRTG ( )

RT

GK

oR

R

Dln




Desplazamiento del equilibrio

Presión

Principio de Le Chatelier: cualquier influencia externa que perturbe el equilibrio de un sistemaprovoca en éste cambios que tienden a contrarrestar dicha influencia.




Temperatura

oR

oR

oR STHG DDD

R

S

RT

H

RT

STH

RT

GK

oR

oR

oR

oR

oR

R

D

D

DD

D

)(ln

2

ln

RT

H

dT

Kd oRR D

: influye tanto en el caso de gases y vapores como en líquidos.

= f (signo de DHRo)



Constantes de equilibrio para mezclas de gases ideales




3. COMBUSTIÓN

Combustible: Cualquier material que pueda quemarse para liberar energía. .

Combustible hidrocarburo (C + H) Cn Hm

GasLiquidoSólido

Octano C8 H18

Dodecano C12 H26

Gas natural: Metano C H4

LPG: Propano C2 H6

Combustión: Reacción química durante la cual se oxida um combustible y se libera gran cantidad de energía.

Cn Hm + O2 CO2 + H2O

Aire 21% O2 + 79% N2

1 kmol O2 + 3,76 kmol N2 = 4,76 kmol aire

?



3. COMBUSTIÓN

Combustión: Cn Hm + O2 CO2 + H2O

Temperatura de ignición: 260 ºC gasolinas, 400 ºC carbón, 580 ºC metano. La masa total de cada elemento se conserva durante una reacción química. El número total de moles no se conserva durante una reacción química. Relación aire – combustible: Masa de aire /masa de combustible ó moles de aire/moles de combustible.

Combustión incompleta

Oxígeno insuficiente. Mezclado insuficiente. Disociación provocada por las altas temperaturas.

CAMARA DE

COMBUSTIÓN

Cn H2n+2

MetanoEtanoPropanoButanoOctanoDodecano

?

Cn Hm + ?O2 + ?N2 nCO2 + m/2 H2O + O2 + N2



3. COMBUSTIÓN

Combustible: Cualquier material que pueda quemarse para liberar energía. .



3. COMBUSTIÓN

Combustión:

Aire estequiométrico Cn Hm + ? O2 + ?N2 n CO2 + m/2 H2O + N2

Aire real > aire estequeométrico

Sustancias que se pueden encontrar en los humos:

ANALIZADOR DE ORSAT



3. COMBUSTIÓN

Entalpía de formación y entalpía de combustión

Las moléculas de un sistema poseen energía en diversas formas:

- Energía sensible

- Energía latenteCambio de estado Estructura molecular

D Esistema = D Eestado + D Equímica Si no hay cambio de estado: D Esistema = D Equímica

¿Estado de referencia? 25ºC y 1 atm (h0 u0 )

CAMARA DECOMBUSTIÓN

(Reacción. Exotérmica)

Energía liberada= Hprod – Hreact = hg = h c

• hg = Entalpía de reacción (Diferencia entre la entalpía delos productos y los reactivos en un mismo estadoespecificado para una reacción completa)

• hc = Entalpía de combustión (calor liberado durante elproceso de combustión en estado estacionario al quemar 1kmol por completo a un estado específicado) INCOMPLETA?

- Energía química

- Energía nuclear

• hf = Entalpía de formación (representa la energía química de un elemento en estado dereferencia, entalpía de una sustancia en un estado especificado debido a su composición)



3. COMBUSTIÓN

Entalpía de formación y entalpía de combustión

• hf (= 0 para elementos estables a 25 ºC y 1 atm) Ej: N2, O2, H2, C …

Formación del CO2 a partir de C + O2 a 25 ºC y 1 atm

hf0 =Cantidad de energía liberada cuando el CO2 se forma a partir de sus elementos estables

durante un proceso de flujo estacionario = - 393520 kJ/kmol

Signo – calor liberadoSigno + calor absorbido

Poder calorífico de un combustible: cantidad de calor liberado cuando ese combustible se

quema por completo en un proceso de flujo estacionario = Valor absoluto de la entalpía de

combustión del combustible. Depende del estado del agua:

- PCS : El agua está en fase líquida

- PCI : El agua está en fase gas

hf0

agua = f ( estado) hf

0=−285.830 kJ/mol (L)

hf0=−241.818 kJ/mol (V)

PCS= PCI- (m· hfg )agua

m= masa de agua en los productos por unidad de combustible.hfg= entalpia de vaporización delagua



Combustibles .



3. COMBUSTIÓN

Análisis de sistemas reactivos: primera ley: Flujo estacionario:

Expresar la entalpía para relacionarlo con estado de referencia y energía química

Entalpía =

Entalpía estado de referencia estandar

Entalpía estado especificado = f (T)

Tasa de transferencia neta de energía hacia el sistema por mol de combustible mediante el calor, el trabajo y la masa

Tasa de transferencia neta de energía fuera del sistema por mol de combustible mediante el calor, el trabajo y la masa

np y nr : Flujos molares de reactivo r o producto p

Referido a mol de combustible:

Np y Nr : moles de reactivo r o producto p

h0c

ENTRADA SALIDA



3. COMBUSTIÓN

Análisis de sistemas reactivos: primera ley: Sistemas cerrados :

U: energía interna= H – P vDespreciable L y S

RT (GI)

TEMPERATURA DE LLAMA ADIABÁTICA: En el caso de que no existan perdidas de calor al exterior, es

la máxima temperatura que se alcanzaría en los productos si la combustión es completa. (Q= W = 0)

Técnica iterativa: Se supone una temperatura para los gases de combustión, se calcula H prod =f (T).Se comprueba si esta H prod = H react

Cambio de entropía:



3. COMBUSTIÓN




Aire

T i

Gasolina

Aire +

Gases comb.

T + dT i

Estado inicial Estado final

E + E Comb aire

= E Gas+aire

Exergía:

Máxima cantidad de trabajo que un sistema podrá realizar si interacciona

con el medio ambiente hasta alcanzar el equilibrio con este último

• Termomecánica: cambios en condiciones térmicas y mecánicas

• Química: cambios en la composición


Ingeniería en Tecnología Industriales

Sistemas Cerrados

Trabajo útil máximo que podría extraerse de un sistema al pasar por un proceso

reversible desde un estado dado hasta el estado muerto (T0 = 25 ºC y p0 = 1 atm):

(kJ) gzv

m)VV(P)SS(T)UU(A

2

2

00000

Diferencia de exergía entre dos estados de un sistema cerrado:

)VV(P)SS(TEE

)zz(gvv

m)VV(P)SS(T)UU(AA

12012012

12

2

1

2

21201201212

2




Sistemas CerradosDe acuerdo al Primer Principio de la termodinámica, para un sistema cerrado:

WQEE 12

Balance de entropía para un sistema cerrado:

cte)T a es (siT

QSS 12

Variación de exergía del sistema cerrado, entre el estado final e inicial

( ) ( ) ( ) ( )12001201201212 VVPT

QTWQVVPSSTEEAA

( )

exergía de ndestrucció

o ilidadIrrev ersibútil) (trabajo W a asociada Exergía

Q a asociada Exergía

TVVPWT

TQAA

0120

012 1 Balance de exergía




Sistemas Abiertos

F A

LVC

Trabajo de flujo

VPW F lujo

La exergía asociada al trabajo de flujo en las secciones de entrada y salida del sistema:

)VPVP(A pv 0

Exergía de s. abierto = exergía de sistema cerrado + exergía asociada a trabajo de flujo:

( )

zgv

m)SS(T)HH(

VPVPgzv

m)VV(P)SS(T)UU(VPVPAB

2

2

2

000

0

2

000000




41

Sistemas AbiertosExergía específica

(kJ/kg) zgv

)ss(T)hh(b

2

2

000

( )

destruidaExergía

materia de flujoexergía de Trans.

ssee

trabajo al asoc.exergía Trans

V C

calor al asoc.exergía Trans.

abierto sistemaexergía v ariación

V C Tbmbmdt

dVPWQ

T

T

dt

dA

00

01

Balance de exergía

Suponiendo estado estacionario:

mmm

dt

dV

dt

dA

se

V CV C

00( )

( )

00

00

1

10

TWQT

T)bb(m

T)bb(mWQT

T

es

se


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