1 Introduccin, definiciones fundamentales y los fenmenos1.1 Introduccin La combustin es la tecnologa ms antigua de la humanidad, sino que ha sido utilizado por ms de un milln de aos. En la actualidad, aproximadamente el 90% de nuestro apoyo a la energa en todo el mundo (por ejemplo, en el trfico, generacin de energa elctrica, calefaccin) es proporcionado por la combustin, por lo que realmente vale la pena estudiar este proceso. Investigacin de la combustin en el pasado se dirigi a la mecnica de fluidos que incluyen liberacin de calor global por reaccin qumica. Esta liberacin de calor se describe a menudo simplemente con la ayuda de la termodinmica, lo que supone una reaccin qumica infinitamente rpido. Este enfoque ha sido til hasta cierto punto, para el diseo de la combustin estacionarios, no es suficiente para el tratamiento de los procesos transitorios como el encendido y apagado o si la formacin del contaminante se trata. Sin embargo, la formacin de contaminantes en combustin de combustibles fsiles es y seguir siendo, un tema central en el futuro. El enfoque de este libro es por lo tanto, para tratar el acoplamiento de la reaccin qumica y el flujo de fluidos, adems, la combustin de los temas especficos de la qumica (oxidacin de hidrocarburos, los mecanismos de gran reaccin, la simplificacin de los mecanismos de reaccin) y combustin temas especficos de mecnica de fluidos (flujo turbulento con el cambio de densidad por la liberacin de calor, generacin de potenciales de turbulencia por la liberacin de calor), se considerar. Por lo tanto, este libro no tendr en cuenta en gran detalle la teora de los tipos de reacciones qumicas y los mtodos experimentales para la determinacin de los coeficientes de velocidad de reaccin (sta es la tarea de la cintica de la reaccin). Tampoco este libro discutir los detalles de la teora de turbulencia y el manejo de geometras complejas (sta es la tarea de lquido mecnica), a pesar de todos estos temas son necesarios en la comprensin de la combustin. 1.2 Algunas definiciones fundamentales El tratamiento cuantitativo de los procesos de combustin requiere un poco de comprensin de los conceptos y definiciones fundamentales, que sern descritas en esta seccin. Una reaccin qumica es el intercambio y o reorganizacin de los tomos entre la colisin de molculas. En el curso de una reaccin qumica, e. g.,

Los tomos (relevante en la combustin: C, H, O y N) se conservan; i. e., no se crea ni se destruye. Por otro lado, las molculas (por ejemplo, cianuro de hidrgeno, OH, CN, y H20) no se han conservado. Una lista parcial de las molculas relevantes en la combustin se da en la Tabla 1.1. Molculas que reaccionan se reorganizan para convertirse en molculas de producto, con la liberacin simultnea de calor. El inters principal en el calor de la reaccin de combustin establece en ingeniera la parte de la ingeniera qumica. Los tomos y las molculas se encuentran convenientemente en cuenta en trminos de cantidad de sustancia o (peor, sino que se utiliza en todas partes) nmeros de moles (unidad: mol). 1 mol de un compuesto de corresponde a 6.023*1023 partculas (tomos, molculas, etc.) En consecuencia, la constante de Avogadro (tambin llamada constante de Avogadro) es NA = 6,023*1023 mol-1. La fraccin molar xi de las especies i denota la relacin entre el nmero de moles ni de las especies i a el nmero de moles n total 'de la mezcla . La masa es una propiedad fundamental de la materia (unidades de kg en el sistema SI). La fraccin de masa wi es la relacin entre la masa de la mi / especie y la masa total m = mf X de la mezcla (peso = mt I m). La masa molar (en desuso: el peso molecular) Mi (unidades de, por ejemplo, g / mol) de las especies i es la masa de un mol de esta especie. Algunos ejemplos (de carbono atmico, hidrgeno molecular, el oxgeno molecular y metano) son Mc = 12 g / mol, MH2 = 2g/mol, M0l = 32 g / mol, MCH4 = 16 g / mol. La mezcla de medio M la masa molar (en g / mol, por ejemplo) de las notas, una masa molar media, con las fracciones molares como la ponderacin (M = xiMi). Fracciones ms frecuentes de masa wi y fracciones molares xi se expresan en trminos de porcentajes por (% en moles o la masa%). Mantener las relaciones siguientes, que pueden ser verificados por clculos simples (S denota el nmero de compuestos diferentes):

Densidades no depende del tamao (extensin) de un sistema. Estas variables se denominan propiedades intensivas, y se define como la relacin de los correspondientes extensa propiedades (que depender de la extensin del sistema) y el volumen del sistema V. Ejemplos de propiedades intensivas son:

De ello se desprende (muy fcil de verificar) que la masa molar media est dada por la expresin:

Tab. 1.1. Lista de molculas relevantes para los procesos de combustinFAMILY Alkane Specific Example IUPAC Name Common Name General FormulaCH3-CH3

Alkene C H2=CH2 Ethene EthyleneH2C=CH2

Alkyne HC^CH Ethyne Acetylene RCSCH RC=CR

Arene

Haloalkane

Alcohol

Ether Amine CH3OCH3 CH3NH2

Aldehyde O 11 CH3CH

Ketone

Carboxylic Acid

CH3CH2CI CH3CH2OH Benzene Chloroethane Ethanol Benzene Ethyl Chloride ArH, ArR RXEthyl Alcohol

Ethane Ethane RH

Methane Methyl Amine Ethanal Dimethyl Ether ^

O 11 O CH3CC H3 CH3COH Propanon Ethanoic Acid e Acetic Acid O 11 RCOH

ROH

RCH=CH2 RCH=CHR R2C=CHRR2C=CR2

RNH2 ROR R2NH R3N

Acetaldehyd Acetone e O 11 O 11 RCR RCH

Functional Group

C-H bonds C-C bonds

X

-CSC-

Aromatic 1 -C-X 1 Ring

1

-C-OH 1

1

C-O-C- -C-N-1

1

1

1 11

-

O 11 -C-H

O 1 111

-c-c-c-

O 11 -C-OH

En qumica, concentracin de especies C qumicas definidas de esta manera se suele designar por smbolos de las especies entre corchetes (por ejemplo, CH20 = [H20]). Para los gases y mezclas de gases en procesos de combustin, una ecuacin de estado relativos temperatura ltima hora, la presin y la densidad del gas. Para muchas condiciones satisfaccin historia de usar la ecuacin de gas ideal, donde p denota la presin (en unidades de Pa), V el volumen (en m3), n el numero de moles (en mol), T la temperatura absoluta (en K), y R la constante universal de gases (R = 8,314 J-Ministerio de Salud-K "1). De ello se desprende que

Cuando las temperaturas estn cerca o menos de la temperatura crtica, o cuando las presiones estn cerca o por encima de la presin crtica, la concentracin o densidad no est suficientemente predicho usando la ecuacin de gas ideal, i. e., (1,5). El sistema es aproximado mejor como un gas real. Un ejemplo de una ecuacin de los gases reales del Estado es la de van der Waals. Los detalles de esta y otras ecuaciones de estado para las condiciones de gas real se puede encontrar en los libros de texto de qumica fsica (por ejemplo, Atkins, 1990). 1.3 Tipos bsicos de llama Tab. 1.2. Ejemplo de sistemas de combustin ordenado con respecto al tipo de premezclado y el tipo de flujo.

En los procesos de combustin, el combustible y el oxidante (normalmente aire) se mezclan y se quemaron. Es til para identificar categoras de combustin en funcin de si el combustible y el oxidante se mezcla primero y posteriormente fue quemado (pre mezcla) o si la combustin se mezcla y se producen simultneamente (no premezclado). Cada una de estas categoras se subdivide en funcin de si el flujo de fluido es laminar o turbulento. La Tabla 1.2 muestra ejemplos de sistemas de combustin que pertenecen a cada una de estas categoras, que sern discutidos en las secciones siguientes. Flama Laminar con premezclado: En llamas laminares premezcladas, el combustible y el oxidante se mezclan antes de pre-combustin y el flujo es laminar. Ejemplos de ello son las flamas laminar plana y (en condiciones magras de combustible) las llamas Bunsen (vase la Fig. 1.1.).

Fig. 1.1. Representacin esquemtica de la flama laminar plana (izquierda) y de una flama de mechero Bunsen (derecha), ambos premezclado Una llama premezclada se dice que es estequiometria, si el combustible (por ejemplo, un hidrocarburo) y el oxidante (por ejemplo, el oxgeno 02) se consumen entre s por completo, formando slo dixido de carbono (C02) y agua (H20). Si hay un exceso de combustible, el sistema se llama rica en combustible, y si hay un exceso de oxgeno, este es llamado combustible magra. Ejemplos de ello son

Cada especie de simbolo en una ecuacin de la reaccin qumica representa un mol. Por lo tanto, los medios de la primera ecuacin: 2 moles de H2 reaccionan con 1 mol 02 para formar 2 moles de H20. Si la ecuacin de la reaccin est escrito de tal manera que se describe con exactitud la reaccin de 1 mol de combustible, la fraccin molar del combustible en una mezcla estequiometria se puede calcular fcilmente a

Aqu v denota el nmero de moles de 02 en la ecuacin de reaccin para una reaccin completa a C02 y H20. Un ejemplo es

Si se utiliza aire como oxidante, se ha de tener en cuenta que el aire seco contiene slo alrededor del 21% de oxgeno (78% de nitrgeno, 1% de gases nobles). As, por aire x N2 = 3,762 x0z. De ello se desprende que las fracciones molares de una mezcla estequiometria con el aire se

v denota, una vez ms, el nmero de moles de 02 en la ecuacin de reaccin para una re-accin de un mol de combustible a C02 y H20. Algunos ejemplos se presentan en la Tabla 1.3. Tab. 1.3. Ejemplos de nmeros estequiomtricos v y de las fracciones molares de combustible en condiciones estequiomtricas xfuel stoidl en las mezclas de combustible / aire

Pre mezclas de combustible y aire (la cantidad adecuada de N2 hay que aadir en este caso a ambos lados de la ecuacin de reaccin, ver Tabla 1.3) se caracterizan por la relacin de equivalencia de aire (a veces el nmero de aire) o el valor de reciprocidad, relacin de equivalencia de combustible .

Esta frmula puede ser reescrito para permitir la evaluacin de las fracciones molares en una mezcla de 0 por:

En consecuencia, los procesos de combustin premezclada ahora se puede dividir en tres grupos, Combustin rica: Combustin Estequiometria: Combustin Pobre: La quema de la quema libremente llamas premezcladas laminar plana en la mezcla no quemada se puede caracterizar por la quema de vL laminar la velocidad (por ejemplo, en m / s); otros nombres en la literatura son la velocidad de la llama o la velocidad de la llama. Se ver en el captulo 8 que la velocidad de grabacin slo depende de la composicin de la mezcla (0 o X), la presin p, y la temperatura inicial Tu. Si la velocidad de combustin laminar de la llama plana es menor que el vu velocidad de los gases no quemados (ver fig. 1.1), la llama de golpes. Por lo tanto, la desigualdad v L> vu tiene que ser cumplido por las llamas plana. Justo antes de la purga vL ~ vu. Por lo tanto, la velocidad de entrada de gas a la llama del despegue es una medida de la velocidad de combustin laminar. Mayores velocidades de entrada son posibles cuando la llama de plano est en un ngulo 6 con el flujo. En el caso de una llama de mechero Bunsen premezclado unido a la salida de un tubo redondo, el frente de llama es de aproximadamente plana (el grosor de la llama es pequea en comparacin con la curvatura). De ello se desprende (vase la Fig. 1.1.) Que Por lo tanto, una medida de , tal vez de una fotografa, y de la velocidad de entrada de gas v u dar lugar a una medida de la vL. Problemas relacionados con la determinacin de la vL y mejores mtodos experimentales son discutidos por Vagelopoulos y Egolfopoulos (1998). Turbulentos llamas premezcladas: Como indica el cuadro 1.2, otros ejemplos de las llamas premezcladas incluyen el omnipresente motor de encendido por chispa (motor Otto), donde el flujo es laminar rara vez. En este caso, premezclado frentes de llamas arden y se propagan en un fluido turbulento. Si la intensidad de la turbulencia no es demasiado alto, curva laminar premezclado frentes de llama se forman. La llama turbulenta se pueden ver como un conjunto de muchas llamas laminares premezcladas. El concepto llamado flamelet ser discutido en detalle en el captulo 15. La ventaja de la combustin premezclada es que un mayor control de la combustin es posible. Premezclando magra (0 1). Uno-micrmetros de dimetro de partculas han demostrado ser un compromiso satisfactorio para flujos subsnicos. En el mtodo de rastreo de partculas, las partculas con un tamao del orden de 1 \ im se suman al flujo (Bergthorson et al. 2005). Las huellas de las partculas estn determinadas por la toma de fotografas con tiempos de exposicin suficientemente largo. De este modo, la velocidad e incluso campos de velocidad se puede medir. Fig. 2.1 muestra una comparacin entre las mediciones de velocidad de rastreo de partculas (Tsuji y Yamaoka 1971) y velocidades calculadas (Dixon-Lewis et al. 1985, vase el captulo 9) en una llama de contraflujo nonpremixed. Aunque existe una considerable dispersin en los resultados experimentales, el grfico muestra que este mtodo permite una medicin fiable de la velocidad. Una variacin de esta tcnica, conocida como PIV (velocimetra de imagen de partculas), utiliza la fina hoja plana de luz de un lser pulsado para iluminar las partculas. Debido a las mltiples pulsos de luz lser, las imgenes de partculas son puntos de desplazados en el espacio, y el desplazamiento puede estar relacionado con la velocidad. Mungal et al. (1995) revisin de la tcnica PIV y demostrar su uso en flujos turbulentos reactivos. 2.2 Las mediciones de densidad Densidad p (o la concentracin c = p / M) suele inferirse de la ecuacin de gas ideal en combinacin con una medicin de temperatura y presin.

Una medicin directa de la densidad se puede deducir de la extincin (causado por la absorcin o dispersin; ext = abs + de dispersin, ver ecuacin 2.1) de un rayo lser que penetra en un medio, de acuerdo con la la ley de Lambert-Beer (Atkins 1996), la adsorbancia A est dada por:

Donde I = longitud del trayecto de la muestra de la concentracin c i con el coeficiente de extincin ext, y lLaser/ lext es la relacin entre la intensidad de la luz inicial y que despus de largo camino l. Las medidas exactas son difciles cuando esta proporcin es de cerca de 1 (medio transparente) o cerca de 0 (medio opaco) para una longitud del camino dado. Sin embargo, cuando se puede ajustar tanto la longitud del camino / o la concentracin de c t, una absorbancia medible permite una reconstruccin tomogrfica de la concentracin (Nguyen et al. 1993) o el desarrollo de, por ejemplo, una sonda de la relacin combustible-aire (Mongia et al. 1996). Con el uso de espejos, una longitud de recorrido largo se puede lograr. Una variacin notable de la lnea de la extincin de vista es la cavidad anillo de Down Espectroscopia (CRD), donde las longitudes de camino de 10 km se puede lograr en una celda del espejo que es de 0,5 m de longitud (Kohse-Hoinghaus et al. 2004). En los experimentos de extincin, se mide la prdida de poder de la viga. A menudo es ms sensible para medir la luz que se dispersa a partir de la viga. Por ejemplo, un mtodo moderno para la medicin de la densidad ptica se basa en la dispersin de Rayleigh lser. El lmite de Rayleigh de la dispersin de la luz, que complementa el lmite Mie utilizado para las partculas en LDA, se produce cuando el dimetro de partcula d es pequeo en comparacin con el lser de longitud de onda (d/