resumen maquinas y equipos termicos

COMBUSTIBLES Y COMBUSTION

15-1C Cules son las composiciones qumicas aproximadas de la gasolina, el

disel y el gas natural?

La gasolina se trata como octano C8H18, y el disel como dodecano, C12H26. El

gas natural, que es una mezcla de metano y cantidades ms pequeas de otros

gases, algunas veces se trata como metano, CH4.

15-2C Cmo afecta la presencia de N2 en el aire al resultado de un proceso de

combustin?

La presencia de nitrgeno influye de manera considerable en el resultado de un

proceso de combustin, pues el nitrgeno suele entrar a una cmara de

combustin en grandes cantidades a temperaturas bajas, y salir a temperaturas

considerablemente altas, absorbiendo una gran proporcin de la energa qumica

liberada durante la combustin.

15-3C Cmo afecta la presencia de humedad en el aire al resultado de un

proceso de combustin?

El aire que entra a una cmara de combustin contiene algo de vapor de agua (o

humedad), que tambin es digno de consideracin. En casi todos los procesos de

combustin, la humedad en el aire y el agua que se forma durante la combustin

puede tratarse como un gas inerte, como nitrgeno.

15-4C Cmo se representa la temperatura del punto de roco de los gases

producto? Cmo se determina esto?

15-5C Acaso se conserva intacto el nmero de tomos de cada elemento

durante una reaccin qumica? Qu ocurre con el nmero total de moles?

El nmero total de tomos de cada elemento se conserva durante una reaccin

qumica, ya que el nmero total de tomos de un elemento es igual a la masa total

del elemento dividida entre su masa atmica. Y el nmero total de moles no se

conserva durante una reaccin qumica.

15-6C Qu es la relacin aire-combustible? Cmo se vincula con la relacin

combustible-aire?

La relacin aire-combustible, AC. Suele expresarse en una base de masa y se

define como la relacin entre la masa del aire y la masa de combustible en un

proceso de combustin. El recproco de la relacin aire-combustible se conoce

como relacin combustible-aire.

15-7C La relacin aire-combustible expresada en una base molar es idntica a la

relacin aire-combustible expresada en una base de masa?

Si porque en una base de masa se define como la relacin entre la masa del aire y

la masa de combustible y en una base molar como la proporcin entre el nmero

de moles de aire y el nmero de moles del combustible.

PROCESOS DE COMBUSTION TEORICA Y REAL

15-8C Cules son las causas de la combustin incompleta?

El oxgeno insuficiente es una razn obvia para la combustin incompleta, pero no

la nica. La combustin incompleta sucede incluso cuando en la cmara de

combustin hay ms oxgeno del necesario para la combustin completa.

15-9C Qu es mas probable encontrar en los productos de una combustin

incompleta de un combustible hidrocuarburo, CO u OH? Por qu?

CO o como simples partculas C ya que el oxgeno es atrado con mayor fuerza

hacia el hidrgeno que hacia el carbono y el hidrgeno en el combustible

normalmente se quema por completo, formando H2O, aun cuando exista menos

oxgeno del necesario para la combustin completa.

15-10C Qu representa 100 por ciento de aire teorico?

La cantidad mnima de aire necesaria para la combustin completa de un

combustible recibe el nombre de aire estequiomtrico o terico.

15-11C La combustin completa y la combustin teorica son idnticas? Si no lo

son, en que difieren?

Son idnticas ya que en ambos casos todos los componentes combustibles de un

combustible se queman totalmente durante un proceso de combustin, pero

difieren en que en la combustin teorica utilizada la cantidad minima de aire

necesaria

15-12C Considere un combustible que se quema con a) 130 por ciento de aire

teorico y b)70 por ciento de exceso de aire. En cual caso el combustible se

quema con mas aire?

El b) ya que serian 170 por ciento de aire terico.

15-13 Durante un proceso de combustin se quema metano (CH4) con una

cantidad estequiomtrica de aire. Suponga una combustin completa y determine

las razones aire-combustible y combustible-aire.

Datos:

C: 12 kg/kmol

H: 2 kg/kmol

CH4 + a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + zN2

C: 1=x

H: 4=2y, y=2,

O: 2a=2x+y, a=2;

N: 3.76(2)a=2z , z=7.52

Sustituyendo para balancear la ecuacin.

CH4 + 2(O2 + 3.76N2) CO2 + 2H2O + 7.52N2

AC = maire

mcombustible=

NMaireNMC + NMH2

AC =(2 4.76kmol)(29 kg/kmol)

(1kmol)(12 kg/kmol) + 2kmol(2 kg/kmol)= 17.255

kg aire

kg combustible

CA =1

AC=

1

17.255kg aire

kg combustible

= .0579 kg combustible

kg aire

15-14 Durante un proceso de combustin se quema propano (C3H8) con 75 por

ciento de exceso de aire. Suponga una combustin completa y determine la razn

aire-combustible.

La ecuacin tendr 1.75 en la entrada de aire porque entra un exceso de 75% y

estar en el producto:

C3H8 + 1.75a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O +. 75aO2 + wN2

C: 3 = x;

H: 8 = 2y, y = 4,

O: 2(1.75)a = 2x + y + 2(. 75a), a = 5;

N: 3.76(2)(1.75a) = 2w,

w = 32.9

Sustituyendo para balancear la ecuacin:

C3H8 + 8.75(O2 + 3.76N2) 3CO2 + 4H2O + 3.75O2 + 32.9N2

AC = maire

mcombustible=

NMaireNMC + NMH2

AC =(8.75 4.76kmol)(29 kg/kmol)


kg aire

kg combustible

15-15 Durante un proceso de combustin se quema acetileno (C2H2) con aire

estequiometrico. Suponga una combustin completa y determine la relacin aire-

combustible por unidad de masa y por unidad molar.

C2H2 + a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + wN2

C: 2=x

H: 2=2y ; y=1

O: 2(1) a = 2x + y; a = 2.5

N: 3.76 (2) (1a) = 2 w; w=9.4


C2H2 + 2.5(O2 + 3.76N2) 2CO2 + H2O + 9.4N2

AC = maire

mcombustible=

NMaireNMC + NMH2

AC =(2.5 4.76kmol)(29 kg/kmol)


kg aire

kg combustible

15-16 Durante un proceso de combustin se quema 1 kmol de etano (C2H6) con

una cantidad desconocida de aire. Un analisis de los productos de combustin

revela que la combustin es completa y que hay 3 kmol de O2 libre en los

productos. Determine a) la relacin aire-combustible y b) el porcentaje de aire

teorico usado durante este proceso.

C2H6 + a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + 3O2 + wN2

C: 2 = x

H: 6 = 2y; y = 3

O: 2 a = 2 x + y + (3) (2); a = 6.5

N: 3.76 (2) (a) = 2 w; w = 24.44

C2H6 + 6.5(O2 + 3.76N2) 2CO2 + 3H2O + 3O2 + 24.44N2

AC = maire

mcombustible=

NMaireNMC + NMH2

AC =(6.5 4.76kmol)(29 kg/kmol)


kg aire

kg combustible

Para determinar el exceso de balanceamos la ecuacin nuevamente pero sin

oxgeno en el producto, as obtendremos aire terico.

C2H6 + a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + wN2

C: 2=x

H: 6 = 2y; y=3

O: 2 a = 2x + y; a = 3.5

N: 3.76 (2) (a) = 2 w; w = 3.76

C2H6 + 3.5(O2 + 3.76N2) 2CO2 + 3H2O + 3.76N2

Calculando el porcentaje de aire teorico:

Aire teorico % =maire total

maire teorico=

Naire totalNaire teorico

=6.5kmol

3.5kmol 100 = 185.71%

15-17E Durante un proceso de combustin se quema etileno (C2H4) con 200 por

ciento de aire teorico. Suponga una combustin completa y una presin total de

14.5 psia, y determine a) la relacin de aire-combustible y b) la temperatura de

punto de rocio de los productos.

a) C2H4 + 2a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + aO2 + wN2

C: 2= x

H: 4 = 2 y; y = 2

O: 2 (2) a= 2x + y + a; a =3

N: 3.76 (2) (2a) = 2w; 2 = 22.56


C2H4 + 6(O2 + 3.76N2) 2CO2 + 2H2O + 3O2 + 22.56N2

AC = maire

mcombustible=

NMaireNMC + NMH2

AC =(6 4.76kmol)(29 lb/kmol)

(2kmol)(12 lb/kmol) + 2kmol(2 lb/kmol)= 29.58

lb aire

lb combustible

B) Temperatura de punto de roco

Pv = (

)

Presin promedio = 2

(2+2+3)+(2)(3)(3.76) (14.5) = 0.98 Psia

De la tabla A-4E Interpolando

Psia T F e= 100 (.950520.98)(100110)

(.950521.27679

.95052 100 e= 101 F

.98 e

1.2767 110

15-18 Durante un proceso de combustin se quema propileno (C3H6) con 50 por

ciento de exceso de aire. Suponga una combustin completa y una presin total

de 105 kPa, y determine a) la relacin aire-combustible y b) la temperatura a la

cual el vapor de agua en los productos empezara a condensarse.

C3H6 + 1.5a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O +. 5aO2 + wN2

C: 3 = x

H: 6 = 2 y; y = 3

O: 2 (1.5)a = 2 x + y + a; a = 4.5

N: 3.76 (2) (1.5a) = 2 w ; w= 25.38


C3H6 + 6.75(O2 + 3.76N2) 3CO2 + 3H2O + 2.25O2 + 25.38N2

AC = maire

mcombustible=

NMaireNMC + NMH2

AC =(6.75 4.76kmol)(29 Kg/kmol)

(3kmol)(12 /) + 3kmol(2 kg/kmol)= 22.185

kg aire

kg combustible

b) Temperatura del punto de rocio:

Pv = (Nv

Nprod) (P) = (

3kmol

33.63kmol) (105kPa) = 9.36kPa

Tabla A-5

Tpr = Tsat a Pv = Tsat a 9.36kpa =(9.35kPa 7.5kPa)(45.81C 40.29C)

(10kPa 7.5kPa)+ 40.29C = 44.37C

15-19 Se quema alcohol proplico (C3H7OH) con 50 por ciento de exceso de aire.

Escriba la ecuacin de la relacin balanceada para una combustin completa y

determine la relacin aire-combustible.

C3H7OH + 1.5a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + zO2 + wN2

C: 3=x

H: 8 = 2y; y = 4

O: 2 (1.5) a + 1 = 2 x + y + 2 z; z = 0.5 a; a = 4.5

N: 3.76 (2) (1.5a) = 2 w; w = 25.38


C3H7OH + 6.75(O2 + 3.76N2) 3CO2 + 4H2O + 2.25O2 + 25.38N2

AC = maire

mcombustible=

NMaireNMC + NMH2

AC =(6.75 4.76kmol)(29 kg/kmol)

(3kmol)(12 kg/kmol) + 4kmol(2 kg/kmol) + 1kmol(kg

kmol)= 15.5295

kg aire

kg combustible

15-20 Se quema butano (C4H10) con 200 por ciento de aire teorico. Para una

combustin completo, Cuntos kmol de agua debern rociarse en la cmara de

combustin por kmol de combustible si los productos de combustin debern tener

una temperatura de punto de rocio de 60C cuando la presin del producto sea

100kPa?

C4H10 + 2a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + aO2 + wN2

C: 4 =x

H: 10 = 2y, y = 5,

O: 2(2)a = 2x + y + 2a, a = 6.5;

N: 3.76(2)(2a) = 2w, w = 48.88


C4H10 + 13(O2 + 3.76N2) 4CO2 + 5H2O + 6.5O2 + 48.88N2

Cuando se le roca con agua la ecuacin aumenta en H2O por lo tanto tiene que balancearse de

nuevo.Nv = moles de vapor de agua

C4H10 + 13(O2 + 3.76N2) + NvH2O 4CO2 + (5 + Nv)H2O + 6.5O2 + 48.88N2

Obtenemos la presin de saturacin a 60C

Psat a 60C = 19.947 kPa

Utilizando la formula:

yvapor de agua =Psaturacion del vapor de agua

Pproducto=

19.947kPa

100kPa= .1994kPa

De otra manera:

yvapor de agua =Ndel agua en el producto

Ntotal del producto=

(5 + Nv)

4 + (5 + Nv) + 6.50 + 48.88= .1994kPa

Despejamos el numero de moles de agua:

(5 + Nv)

4 + (5 + Nv) + 6.50 + 48.88= .1994kPa

Nv .1994Nv = .7976 + .997 + 1.2961 + 9.7466 5

Nv = 9.7892kmol

15-21 Una mezcla de combustible de 20 por ciento de masa de metano (CH4) y 80

por ciento de masa de etanol (C2H6O) se quema completamente con aire teorico.

Si el flujo masico total es 31 kg/s, determine el flujo masico de aire requerido.

La ecuacin se enuncia como sigue:

. 2r(CH4) + .8s(C2H6O) + a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + wN2

Balanceando la ecuacin:

C: .2r + 1.6s = x;

H: .8r + 4.8s = 2y,

O: .8s + 2a = 2x + y;

N: 3.76(2)(a) = 2w

Sustituyendo para balancear la ecuacon:

. 2r(CH4) + .8s(C2H6O) + a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + wN2

15-22 Se quema octano (C8H18) con 250 por ciento de aire teorico, el cual entra a

la cmara de combustin a 25C. Suponga una combustin completa y una

presin total de 1 atm, y determine a) la relacin de aire-combustible y b) la

temperatura de punto de rocio de los productos.

C8H18

Productos

AIRE 25C

C8H18 + 2.5a(O2 + 3.76N2) xCO2 + yH2O + 1.5aO2 + wN2

C: 8 = x;

H: 18 = 2y, y = 9,

O: 2(2.5)a = 2x + y + 3a, a = 12.5;

N: 3.76(2)(2.5a) = 2w, w = 115.625


C8H18 + 31.25(O2 + 3.76N2) 8CO2 + 9H2O + 18.75O2 + 115.625N2

AC = maire

mcombustible=

NMaireNMC + NMH2

AC =(31.25 4.76kmol)(

29kgkmol)

(8kmol) (12kgkmol) + 9kmol(

2kgkmol)

= 37.839kg aire

kg combustible

Para la temperatura de punto de roci:

1 = 101.324998

Pv = (Nv

Nprod) (Pprod) = (

9kmol

151.375kmol) (101.324998kPa) = 6.04kPa

Cmara de

combustin

P= 1 atm

De la tabla A-5

Tpr = Tsat a Pv = Tsat a 6.04kpa =(6.04kPa 5kPa)(40.29C 32.87C)

(7.5kPa 5kPa)+ 32.87C = 35.956C

15-23 En un motor de reaccin se quema gasolina (se considera C8H18) de

manera estable con aire. Si la relacin aire-combustible es 18 kg de aire/kg de

combustible, determine el porcentaje de aire teorico usado durante este proceso.

15-24 En una cmara de combustin se quema etano (C2H6) a una tasa de 8 kg/h

con aire que entra a una tasa de 176 kg/h. Determine el porcentaje de exceso de

aire utilizado durante este proceso.

15-25 Un kilogramo de butano (C4H10) se quema con 25 kg de aire que esta a

30C y 90 kPa. Suponga que la combustin es completa y que la presin de los

productos es 90 kPa; determine a) el porcentaje de aire teorico utilizado y b) la

temperatura del punto de rocio de los productos.

15-26E Una lbm de butano (C4H10) se quema con 25 lbm de aire que esta a 90F

y 14.7 psia. Suponga que la combustin es completa y que la presin de los

productos es 14.7 psia, determine a) el porcentaje de aire teorico utilizado y b) la

temperatura del punto de rocio de los productos.

15-27 Cierto gas natural tiene el siguiente analisis volumtrico: 65 por ciento de

CH4, 8 por ciento de H2, 18 por ciento de N2, 3 por ciento de O2 y 6 por ciento de

CO2. Despus este gas se quema por completo con la cantidad estequiometrica

de aire seco. Cul es la razn de aire-combustible para este proceso de

combustin?

15-28 Repita el problema 15-27, pero sustituya el aire seco por aire hmedo que

entra a la cmara de combustin a 25C, 1 atm y 85 por ciento de humedad

relativa.

15-29 Un combustible gaseoso con un analisis volumtrico de 60 por ciento de

CH4, 30 por ciento de H2 y 10 por ciento de N2 se quema por completo con 130

por ciento de aire teorico. Determine a) la relacin aire-combustible y b) la fraccin

de vapor de agia que se condensara si los gases producto fueran enfriados hasta

20C a 1 atm.

15-31 Cierto carbn mineral tiene el siguiente analisis con base en la masa: 82 por

ciento de C, 5 por ciento de H2O, 2 por ciento de H2, 1 por ciento de O2 y 10 por

ciento de ceniza. El carbn mineral se quema con 50 por ciento de exceso de aire.

Determine la relacin aire-combustible.

15-32 Se quema octano (C8H18) con aire seco. El analisis volumtrico de los

productos en una base seca es: 9.21 por ciento de CO2, 0.61 por ciento de CO,

7.06 por ciento de O2 y 83.12 por ciento de N2. Determine a) la relacin aire-

combustible y b) el porcentaje de aire teorico utilizado.

15-33 Se quema carbn (C) con aire seco. El analisis volumtrico de los productos

es 10.06 por ciento de CO2, 0.42 por ciento de CO, 10.69 por ciento de O2 y 78.83

por ciento de N2. Determine a) la relacin aire-combustible y b) el porcentaje de

aire teorico utilizado.

15-34 Se quema metano (CH4) con aire seco. El analisis volumtrico de los

productos en una base seca es 5.20 por ciento de CO2, 0,33 por ciento de CO,

11.24 por ciento de O2 y 83.23 por ciento de N2. Determine a) la relacin aire-

combustible y b) el porcentaje de aire teorico utilizado.

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