T6_IT_TERMOTECNIA_CORREGIDO.pdf PDF - Ingeniería Térmica

INGENIERÍA TÉRMICA Tema 6. Introducción a la Termotecnia 1. Conceptos generales 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas 3. Primer Principio de la Termodinámica 4. Segundo Principio de la Termodinámica...

INGENIERÍA TÉRMICA Tema 6. Introducción a la Termotecnia 1. Conceptos generales 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas 3. Primer Principio de la Termodinámica 4. Segundo Principio de la Termodinámica 5. Combustión Página 1 Grado en Ingeniería Ambiental 1. Conceptos básicos Thermos (calor) + TERMODINÁMICA Dynamis (fuerza, potencia) Estudia la energía y sus transformaciones Su estudio comienza en el siglo XIX (Rankine, Clasius y Lord Kelvin) con el estudio de la producción de trabajo a partir de la energía térmica (fundamental para la Revolución Industrial). Dos enfoques: Enfoque macroscópico (T, P, n, V)  TERMODINÁMICA CLÁSICA Enfoque microscópico (promedio del comportamiento de partículas)  TERMOD. ESTADÍSTICA Promedio de variables Variables microscópicas Macroscópicas ¡La descripción macroscópica de un sistema de ∼10 23 partículas se puede desarrollar matemáticamente a través de muy pocas variables! Rama de la Física y la Química: comprensión de los fundamentos del comportamiento físico y químico de la materia en reposo. Rama de la Ingeniería: estudio de los sistemas y su interacción con el entorno  obtención de trabajo útil  TERMODINÁMICA APLICADA o TERMOTECNIA IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 2 1. Conceptos básicos ÁREAS DE APLICACIÓN DE LA TERMODINÁMICA TÉCNICA Motores de automoción. Turbinas. Compresores, bombas. Centrales eléctricas clásicas y nucleares. Sistemas de propulsión de aviones y cohetes. Sistemas de combustión. Sistemas criogénicos, de separación y condensación de gases. Sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado. Refrigeración de equipos electrónicos. Sistemas de energías alternativas (pilas de combustible, sistemas geotérmicos, dispositivos termoeléctricos y termoiónicos, …). Aplicaciones biomédicas (sistemas de apoyo a la vida, órganos artificiales, …). IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 3 1. Conceptos básicos TIPOS DE ENERGÍA: Asociadas a materia: Térmica Potencial Cinética Química Mecánica Eléctrica Magnética Nuclear ΣE = ETOTAL SISTEMA En tránsito: CALOR (Q) Y TRABAJO (W) CONVENIO TÉCNICO DE SIGNOS PARA Q Y W: Trabajo realizado por el sistema  SIGNO POSITIVO Calor recibido por el sistema  SIGNO POSITIVO LEYES O PRINCIPIOS DE LA TERMODINÁMICA: establecen como tienen lugar las transformaciones de energía. IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 4 1. Conceptos básicos SISTEMA: porción de materia o espacio sobre el que se centra un estudio determinado. Entorno o alrededores: masa o región que rodea un sistema. Frontera: superficie real o imaginaria que separa al sistema de sus alrededores (generalmente imaginaria). Tipos de fronteras: - Rígidas o móviles (v) - Permeables o impermeables (m) - Diatérmicas o adiabáticas (Q) Ambiente: porción del entorno cuyas propiedades intensivas no se ven afectadas por la actividad del sistema. IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 5 1. Conceptos básicos SISTEMA TIPOS DE SISTEMAS (en función de su relación con los alrededores):  Sistema aislado  no permite el intercambio de materia ni energía.  Sistema cerrado o masa de control  no permite el intercambio de materia pero sí el de energía.  Sistema abierto o volumen de control  permite el intercambio de materia y energía. mi mi mi Q Q W Q W W Sistema aislado Sistema cerrado Sistema abierto IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 6 1. Conceptos básicos PROPIEDAD Cualquier característica de un sistema. Magnitud macroscópica de un sistema, a la que se le puede asignar un valor numérico en un instante determinado (sin conocimiento previo de la historia del sistema). Ejemplos: masa, volumen, energía, presión, temperatura, velocidad, conductividad térmica, … Tipos de propiedades en función de su dependencia con la masa del sistema: Propiedades extensivas  su valor depende de la masa del sistema. Su valor total es la suma de los valores de cada parte del sistema. Ej. Volumen, energía, … Propiedades intensivas  su valor no depende de la masa del sistema. Ej. Temperatura, presión, densidad, …. Propiedades específicas  propiedad extensiva dividida por la masa del sistema. Se representan por la letra minúscula correspondiente. Ej.: Volumen específico (v), energía específica (e), … Cantidad de materia que es homogénea en toda su extensión, tanto en composición FASE química como en estructura física. IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 7 1. Conceptos básicos ESTADO Conjunto de propiedades de un sistema que describen por completo la condición de un sistema. En un determinado estado, todas las propiedades de un sistema tienen valores constantes. EQUILIBRIO Estado caracterizado por la ausencia de potenciales o ausencia de fuerzas impulsoras dentro del sistema, por lo que el sistema no experimenta cambios. Tipos de equilibrio: Equilibrio Mecánico Presión Equilibrio Térmico Temperatura Equilibrio General Equilibrio Químico Composición Permanecen constantes Equilibrio de Fases Masa de las fases Ley cero: dos cuerpos están en equilibrio térmico si ambos tienen la misma lectura de temperatura incluso si no están en contacto. IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 8 1. Conceptos básicos Magnitud física macroscópica que caracteriza el estado de un sistema. VARIABLE DE ESTADO Ej.: presión (P), temperatura (T), volumen (V), energía interna (U). ECUACIÓN DE ESTADO Ec. que relaciona variables de estado. Ej.: Ec.de gases ideales: P·V = n·R·T Cambio en los valores de las variables de estado de un sistema. Trayectoria  serie de PROCESO estados por los que pasa un sistema durante un proceso. Descripción de un proceso  estados inicial y final, trayectoria e interacciones con los alrededores. Tipos de proceso: en función de los valores inicial y final de las variables de estado:  Transformación o proceso abierto  el estado inicial y final son diferentes.  Transformación o proceso cerrado o cíclico  el estado inicial y final son coincidentes  CICLO PROCESO ABIERTO PROCESO CERRADO Propiedad A Propiedad A Estado 2 Estado 2 Trayectoria Estado 1 Estado 1 Estado 3 Propiedad B Propiedad B IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 9 1. Conceptos básicos PROCESO Tipos de proceso: en función de la propiedad que permanece constante Principales transformaciones abiertas en Termodinámica Aplicada IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 10 1. Conceptos básicos PROCESO Tipos de proceso: en función de su relación con el equilibrio  Irreversibles  implican estados de no equilibrio (transformaciones reales).  Reversibles o de cuasiequilibrio  implican estados de equilibrio (transformaciones no reales, más fáciles de modelar). IRREVERSIBILIDADES: rozamiento, expansión libre, mezcla de fluidos, resistencia eléctrica, deformación inelástica en sólidos,, transferencia de calor por diferencias de T finitas, reacciones químicas, … IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 11 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas CAMBIO DE FASE L-V POR CAMBIO DE TEMPERATURA 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 T = 150ºC T = 100ºC P = 1 atm T = 20ºC T = 70ºC T = 100ºC T = 100ºC P = 1 atm P = 1 atm P = 1 atm P = 1 atm P = 1 atm H2O Vapor H2O Vapor H2O Líquida H2O Líquida H2O Líquida H2O Mezcla saturado recalentado subenfriada subenfriada saturada líquido-vapor Q Q Q Q Q T(ºC) 6 P = 1 atm 3 4 5 100 2 1 Q IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 12 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas T Líquido saturado Vapor sobrecalentado Temperatura Vapor húmedo de saturación (presión de saturación) Líquido Vapor subenfriado saturado Temperatura de saturación: temperatura a la que se produce la vaporización a una presión dada. Q Presión de saturación: presión a la que se produce la vaporización a una temperatura dada. Líquido subenfriado: líquido con temperatura inferior a la de saturación. Líquido saturado: líquido que va a comenzar el proceso de vaporización. Está a la temperatura de saturación pero aún no contiene vapor. Vapor húmedo: vapor en equilibrio con líquido a la temperatura de saturación. Vapor saturado: vapor seco (sin humedad) a la temperatura de saturación. Vapor sobrecalentado: vapor a temperatura mayor que la de sat. IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 13 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas DIAGRAMA T-v 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 T = 150ºC T = 100ºC P = 1 atm T = 20ºC T = 70ºC T = 100ºC T = 100ºC P = 1 atm P = 1 atm P = 1 atm P = 1 atm P = 1 atm H2O Vapor H2O Vapor H2O Líquida H2O Líquida H2O Líquida H2O Mezcla saturado recalentado subenfriada subenfriada saturada líquido-vapor Q Q Q Q Q T(ºC) 6 P = 1 atm = 101,35 kPa 3 4 5 100 2 1 υ (m3/kg) IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 14 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas DIAGRAMA T-v Isobaras Línea de vapor Línea de líquido saturado saturado DOMO: región de mezcla saturada líquido-vapor Los valores numéricos corresponden al agua Fuente: Y. A. Cengel y M. A. Boles. IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 15 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas DIAGRAMA P-v Isotermas Fuente: Y. A. Cengel y M. A. Boles. Utilidad en motores térmicos IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 16 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas DIAGRAMA T-S Forma semejante a T-v Curvas paramétricas  isóbara Líquido frío: muy pequeña (s Gas Temperatura varía muy poco con p) Utilidad: turbinas y refrigeración Punto crítico Líquido dQ = T ds Sólido Líquido-vapor Línea triple Vapor Sólido-vapor entropía IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 17 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas GRÁFICAS APLICACIONES INFORMÁTICAS PROPIEDADES TERMODINÁMICAS ECUACIONES (Ej.: Steamtablesonline, …) TABLAS VAPOR DE AGUA (extrapolable a otros sistemas líquido – vapor) TABLA DE PROPIEDADES DEL AGUA Descripción de las tablas  Tabla de vapor saturado: Tabla de presiones: A-1; Tabla de temperaturas: A-2  Vapor recalentado: A-3  Líquido subenfriado: A-4 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 18 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 19 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas TABLA A-1. Propiedades del agua saturada: líquido – vapor. Tabla de Presiones 3 P (kPa) T (°C) v (m /kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) Líquido Vapor Líquido Vapor Líquido Vapori- Vapor Líquido Vapor saturado saturado saturado saturado saturado zación saturado saturado saturado Ps Ts 3 vls x 10 vvs uls uvs hls λ hvs sls svs 0,611 0,01 1,0002 206,136 0,00 2375,3 0,01 2501,3 2501,4 0,0000 9,1562 1 6,98 1,0000 129,21 29,3 2385,0 29,30 2484,9 2514,2 0,1059 8,9756 2 17,50 1,0010 67,000 73,48 2399,5 73,48 2460,0 2533,5 0,2607 8,7237 4 28,96 1,0040 34,800 121,45 2415,2 121,46 2432,9 2554,4 0,4226 8,4746 6 36,16 1,0064 23,739 151,53 2425,0 151,53 2415,9 2567,4 0,5210 8,3304 8 41,51 1,0084 18,103 173,87 2432,2 173,88 2403,1 2577,0 0,5926 8,2287 10 45,81 1,0102 14,674 191,82 2437,9 191,83 2392,8 2584,7 0,6493 8,1502 20 60,06 1,0172 7,649 251,38 2456,7 251,40 2358,3 2609,7 0,8320 7,9085 30 69,10 1,0223 5,229 289,20 2468,4 289,23 2336,1 2625,3 0,9439 7,7686 40 75,87 1,0265 3,993 317,53 2477,0 317,58 2319,2 2636,8 1,0259 7,6700 50 81,33 1,0300 3,240 340,44 2483,9 340,49 2305,4 2645,9 1,0910 7,5939 60 85,94 1,0331 2,732 359,79 2489,6 359,86 2293,6 2653,5 1,1453 7,5320 70 89,95 1,0360 2,365 376,63 2494,5 376,70 2283,3 2660,0 1,1919 7,4797 80 93,50 1,0380 2,087 391,58 2498,8 391,66 2274,1 2665,8 1,2329 7,4346 90 96,71 1,0410 1,869 405,06 2502,6 405,15 2265,7 2670,9 1,2695 7,3949 100 99,63 1,0432 1,694 417,36 2506,1 417,46 2258,0 2675,5 1,3026 7,3594 150 111,4 1,0528 1,159 466,94 2519,7 467,11 2226,5 2693,6 1,4336 7,2233 200 120,2 1,0605 0,8857 504,49 2529,5 504,70 2201,9 2706,7 1,5301 7,1271 250 127,4 1,0672 0,7187 535,10 2537,2 535,37 2181,5 2716,9 1,6072 7,0527 300 133,6 1,0732 0,6058 561,15 2543,6 561,47 2163,8 2725,3 1,6718 6,9919 350 138,9 1,0786 0,5243 583,95 2546,9 584,33 2148,1 2732,4 1,7275 6,9405 400 143,6 1,0836 0,4625 604,31 2553,6 604,74 2133,8 2738,6 1,7766 6,8959 450 147,9 1,0882 0,4140 622,25 2557,6 623,25 2120,7 2743,9 1,8207 6,8565 500 151,9 1,0926 0,3749 639,68 2561,2 640,23 2108,5 2748,7 1,8607 6,8212 600 158,9 1,1006 0,3157 669,90 2567,4 670,56 2086,3 2756,8 1,9312 6,7600 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 20 4. Cálculo de propiedades termodinámicas TABLA A-2. Propiedades del agua saturada: líquido – vapor. Tabla de Temperaturas 3 T (°C) P (kPa) v (m /kg) u (kJ/kg) h (kJ/kg) s (kJ/kg K) Líquido Vapor Líquido Vapor Líquido Vapori- Vapor Líquido Vapor saturado saturado saturado saturado saturado zación saturado saturado saturado Ts Ps 3 vls x 10 vvs uls uvs hls λ hvs sls svs 0,01 0,6110 1,0002 206,136 0,00 2375,3 0,01 2501,3 2501,4 0,0000 9,1562 4 0,8130 1,0001 157,232 16,77 2380,9 16,78 2491,9 2508,7 0,0610 9,0514 5 0,8720 1,0001 147,120 20,97 2382,3 20,98 2489,6 2510,6 0,0761 9,0257 6 0,9350 1,0001 137,734 25,19 2383,6 25,20 2487,2 2512,4 0,0912 9,0003 8 1,0720 1,0002 120,917 33,59 2386,4 33,60 2482,5 2516,1 0,1212 8,9501 10 1,2280 1,0004 106,379 42,00 2389,2 42,01 2477,7 2519,8 0,1510 8,9008 11 1,3120 1,0004 99,857 46,20 2390,5 46,20 2475,4 2521,6 0,1658 8,8765 12 1,4020 1,0005 93,784 50,41 2391,9 50,41 2473,0 2523,4 0,1806 8,8524 13 1,4970 1,0007 88,124 54,60 2393,3 54,60 2470,7 2525,3 0,1953 8,8285 14 1,5980 1,0008 82,848 58,79 2394,7 58,80 2468,3 2527,1 0,2099 8,8048 15 1,7050 1,0009 77,926 62,99 2396,1 62,99 2465,9 2528,9 0,2245 8,7814 16 1,8180 1,0011 73,333 67,18 2397,4 67,19 2463,6 2530,8 0,2390 8,7582 17 1,9380 1,0012 69,044 71,38 2398,8 71,38 2461,2 2532,6 0,2535 8,7351 18 2,0640 1,0014 65,038 75,57 2400,2 75,58 2458,8 2534,4 0,2679 8,7123 19 2,1980 1,0016 61,293 79,76 2401,6 79,77 2456,5 2536,2 0,2823 8,6897 20 2,3390 1,0018 57,791 83,95 2402,9 83,96 2454,1 2538,1 0,2966 8,6672 21 2,4870 1,0020 54,514 88,14 2404,3 88,14 2451,8 2539,9 0,3109 8,6450 22 2,6450 1,0022 51,447 92,32 2405,7 92,33 2449,4 2541,7 0,3251 8,6229 23 2,8100 1,0024 48,574 96,51 2407,0 96,52 2447,0 2543,5 0,3393 8,6011 24 2,9850 1,0027 45,883 100,70 2408,4 100,70 2444,7 2545,4 0,3534 8,5794 25 3,1690 1,0029 43,360 104,88 2409,8 104,89 2442,3 2547,2 0,3674 8,5580 26 3,3630 1,0032 40,994 109,06 2411,1 109,07 2439,9 2549,0 0,3814 8,5361 27 3,5670 1,0035 38,774 113,25 2412,5 113,25 2437,6 2550,8 0,3954 8,5156 TA y TQ. Tema 3. Propiedades Termodinámicas de Sustancias Puras Página 21 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas VAPOR y LÍQUIDO SATURADO Tablas para vapor y líquido saturado En caso de cambio de fase, debe conocerse: T(ºC) REGIÓN DE LÍQUIDO Título o calidad del vapor (x) COMPRIMIDO kg de vapor saturado seco mv x= = (0 ≤x≤ 1) x= AB kg de vapor húmedo mLV AC υLV - υL mL: masa de líquido A B REGIÓN mV: masa de vapor C DE VAPOR mLV: masa total de la mezcla líquido-vapor υV - υL SOBRECALENTADO REGIÓN SATURADA mLV = mL + mV DE LÍQUIDO-VAPOR VLV = VL + VV mLV υLV = mL υL + mV υV υL υLV υV υ (m3/kg) mL = mLV - mV mLV υLV = (mLV – mV) υL + mV υV υLV = (1-x) υL + x υV uLV = (1-x) uL + x uV Entalpía de vaporización υLV = υL + x (υV - υL) (calor latente de vaporización): hLV = (1-x) hL + x hV λ = hVS – hLS υ LV − υ L Evaporación parcial: x= sLV = (1-x) sL + x sV λx = x λ υV − υL IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 22 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas TABLA A-3. Propiedades del agua saturada: vapor sobrecalentado T v u h s v u h s 3 3 °C m /kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg K m /kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg K P = 6 kPa; Tsat = 36,2°C P = 35 kPa; Tsat = 72,7°C Sat. 23,739 2425,0 2567,4 8,3304 4,526 2473,0 2631,4 7,7158 80 27,132 2487,3 2650,1 8,5804 4,625 2483,7 2645,6 7,7564 120 30,219 2544,7 2726,0 8,7840 5,163 2542,4 2723,1 7,9644 160 33,302 2602,7 2802,5 8,9693 5,696 2601,2 2800,6 8,1519 200 36,383 2661,4 2879,7 9,1398 6,228 2660,4 2878,4 8,3237 240 39,462 2721,0 2957,8 9,2982 6,758 2720,3 2956,8 8,4828 280 42,540 2781,5 3036,8 9,4464 7,287 2780,9 3036,0 8,6314 320 45,618 2843,0 3116,7 9,5859 7,815 2842,5 3116,1 8,7712 360 48,696 2905,5 3197,7 9,7180 8,344 2905,1 3197,1 8,9034 400 51,774 2969,0 3279,6 9,8435 8,872 2968,6 3279,2 9,0291 440 54,851 3033,5 3362,6 9,9633 9,400 3033,2 3362,2 9,1490 500 59,467 3132,3 3489,1 10,1336 10,192 3132,1 3488,8 9,3194 P = 70 kPa; Tsat = 89,9°C P = 100 kPa; Tsat = 99,6°C Sat. 2,365 2494,5 2660,0 7,4797 1,694 2506,1 2675,5 7,3594 100 2,434 2509,7 2680,0 7,5341 1,696 2506,7 2676,2 7,3614 120 2,571 2539,7 2719,6 7,6375 1,793 2537,3 2716,6 7,4668 160 2,841 2599,4 2798,2 7,8279 1,984 2597,8 2796,2 7,6597 200 3,108 2659,1 2876,7 8,0012 2,172 2658,1 2875,3 7,8343 240 3,374 2719,3 2955,5 8,1611 2,359 2718,5 2954,5 7,9949 280 3,640 2780,2 3035,0 8,3162 2,546 2779,6 3034,2 8,1445 320 3,905 2842,0 3115,3 8,4504 2,732 2841,5 3114,6 8,2849 360 4,170 2904,6 3196,5 8,5828 2,917 2904,2 3195,9 8,4175 400 4,434 2968,2 3278,6 8,7086 3,103 2967,9 3278,2 8,5435 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 23 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas LÍQUIDO SUBENFRIADO - TABLAS TABLA A-4. Tabla del agua saturada: líquido subenfriado 3 3 T v 10 u h s v 10 u h s 3 3 °C m /kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg K m /kg kJ/kg kJ/kg kJ/kg K P = 2500 kPa; Tsat = 223,99°C P = 5000 kPa; Tsat = 263,99°C 20 1,0006 83,80 96,30 0,2961 0,9995 83,65 88,65 0,2956 40 1,0067 167,25 169,77 0,5715 1,0056 166,95 171,97 0,5705 90 1,0280 334,29 336,86 1,0737 1,0268 333,72 338,85 1,0720 100 1,0423 418,24 420,85 1,3050 1,0410 417,52 422,72 1,3030 140 1,0784 587,82 590,52 1,7369 1,0768 586,76 592,15 1,7343 180 1,1261 761,16 763,97 2,1375 1,1240 759,63 765,25 2,1341 200 1,1555 849,90 852,80 2,3294 1,1530 848,10 853,90 2,3255 220 1,1898 940,70 943,70 2,5174 1,1866 938,40 944,40 2,5128 Sat. 1,1973 959,10 962,10 2,5546 1,2959 1147,8 1154,2 2,9202 P = 7500 kPa; Tsat =290,9 °C P = 10000 kPa; Tsat = 311,06°C 20 0,9984 83,50 90,99 0,2950 0,9972 83,36 93,33 0,2945 40 1,0045 166,64 174,18 0,5696 1,0034 166,35 176,38 0,5686 80 1,0256 333,15 340,84 1,0704 1,0245 332,59 342,83 1,0688 100 1,0397 416,91 424,62 1,3011 1,0385 416,12 426,50 1,2992 140 1,0752 585,72 593,78 1,7317 1,0737 584,68 595,42 1,7292 180 1,1219 759,13 766,55 2,1308 1,1199 756,65 767,84 2,1275 220 1,1835 936,20 945,10 2,5083 1,1805 934,10 945,90 2,5039 260 1,2696 1124,4 1134,0 2,8763 1,2645 1121,1 1133,7 2,8699 Sat. 1,3677 1282,0 1292,2 3,1649 1,4524 1393,0 1407,6 3,3596 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 24 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas LÍQUIDO SUBENFRIADO - TABLAS Falta de datos o pocos (muy espaciados en P y/o T): Error de interpolación alto. Poca dependencia de P Aproximaciones (modelo de sustancias incompresibles):  ∂v    ≅ 0 ⇒ v(T , P) ≈ vLS (T )  ∂P T  ∂u    ≅ 0 ⇒ u(T,P) ≈ uLS (T )  ∂P  T  ∂s    ≅ 0 ⇒ s(T,P) ≈ s LS (T )  ∂P  T Ejemplo: v(100°C,25atm) ≈ v LS (100°C; Ps = 1atm) v: 1,0423 10-3 m3kg-1 1,0435 10-3 m3kg-1 u: 418,24 kJ kg-1 418,94 kJ kg-1 s: 1,3050 kJ kg-1 K-1 1,3069 kJ kg-1 K-1 h(T,P) = ℎ𝐿𝐿𝐿𝐿 (𝑇𝑇) + 𝑣𝑣𝐿𝐿𝐿𝐿 (𝑃𝑃 − 𝑃𝑃𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆 ) IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 25 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas Tablas termodinámicas: Consideraciones generales (vapor de agua) Valores de tablas: v: valores absolutos U, h, s: valores relativos: Estado de referencia. Ej.: agua: Acuerdo casi-universal: agua líquida saturada a 0,01ºC y 0,611 kPa u = s = 0; h = u + pv = -0,04 kJ/kg Estado de referencia Balance: diferencia entre dos estados (independiente de la referencia) Datos de varias tablas o uso de v. Líquidos subenfriados  Falta de datos o pocos (muy espaciados en P y/o T): Error de interpolación alto  Aproximaciones IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 26 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas Transformaciones termodinámicas en T – s (Vapor de agua y análogos) Temperatura Temperatura P1 P2 P3 P4 P1 P2 P3 P4 4 4 2 3 3 2 1 1 entropía entropía Calentamiento / enfriamiento isóbaro Calentamiento / enfriamiento isócoro 2 – 3: isotermo 2 – 3: no isotermo IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 27  2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas Transformaciones termodinámicas en T – s (Vapor de agua y análogos) Temperatura P1 P2 P3 P4 Temperatura P1 P2 P3 Temperatura P1 P2 P3 P4 P4 1 1 1 1 2 1 1 2 2 2 1 2 3 4 2 2 3 3 3 3 3 3 entropía entropía entropía Compresión / expansión Compresión / expansión Expansión isoentálpica isoentrópica isoterma 2 – 3: isobaro IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 28 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas Transformaciones termodinámicas en T – s (Vapor de agua y análogos) Temperatura Gas Punto crítico Líquido Vapor Líquido-vapor Solido Línea triple Sólido - vapor entropía IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 29 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas AIRE (modelo de gas ideal) Aire en estado gas. Fuera de la campana (derecha y/o por encima). Regla de las fases: L = 1 + 2 – F = 3 – F = 1+2-1 = 2 grados de libertad. Comportamiento del aire como gas ideal ECUACIONES Variación de energía interna (u=f(T); u≠f(P, v)) T u = Cv T dT 0 Variación de entalpía (h=f(T); h≠f(P,v)) T h = CP T dT 0 u = h − Pv = h − RT (Pv = RT) IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 30 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas AIRE (modelo de gas ideal) ECUACIONES T dT Entropía estándar, s0 (T): s0 = CP T T 0 Cálculo de variación de entropía entre dos estados. s T2, P2 − s T1, P1 = s0 T2, P2 − s0 T1, P1 - R·ln(P2/P1) En el caso de procesos isoentrópicos (procesos adiabáticos + reversibles): P·Vγ = cte γ = Cp/Cv Δs = 0  s T2, P2 − s T1, P1 = s0 T2, P2 − s0 T1, P1 - R·ln(P2/P1) = 0 Simplificación adicional : modelo aire-estándar frío  en este caso, se supone que las propiedades físicas no cambian con la temperatura. Se toman los valores de Cp y Cv a 25ºC  Δu = Cv ΔT; Δh = Cp ΔT; γ = cte. IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 31 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas TABLAS Estado de referencia: T=0K  u = h = 0 u y h no dependen de la presión Aparecen dos magnitudes nuevas P y v relativos (no confundir con Estados correspondientes), que sólo se pueden usar en procesos isoentrópicos: Pr  PRESIÓN RELATIVA. Solo depende de la temperatura, no es una presión como tal. Se obtiene despejando la relación de presiones en procesos isoentrópicos. En estos procesos, la relación de presiones real es igual a la relación de presiones relativas. 0 𝑃𝑃2 exp[𝑠𝑠0 𝑇𝑇2 ⁄𝑅𝑅] Pr(𝑇𝑇2) Pr = exp(𝑠𝑠 /𝑅𝑅) = = 𝑃𝑃1 𝑒𝑒xp[𝑠𝑠0 𝑇𝑇1 ⁄𝑅𝑅 Pr(𝑇𝑇1) Vr  VOLUMEN RELATIVO. Se obtiene a partir de las presiones relativas en procesos isoentrópicos. Se cumple que la relación de volumnes real es igual a la relación de volumenes relativos 𝑣𝑣2 𝑅𝑅·𝑇𝑇2 𝑃𝑃𝑃𝑃1 𝑣𝑣𝑟𝑟2 = · = 𝑣𝑣1 𝑃𝑃𝑃𝑃2 𝑅𝑅·𝑇𝑇1 𝑣𝑣𝑟𝑟1 Simplificación adicional : modelo aire-estándar frío  en este caso, se supone que las propiedades físicas no cambian con la temperatura. Se toman los valores de Cp y Cv a 25ºC  Δu = Cv ΔT; Δh = Cp ΔT; γ = cte. IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 32 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas TABLA A-5: Propiedades del aire como gas ideal T (K), h y u (kJ/kg), s (kJ/kgK) T h pr u vr s0 T h pr u vr s0 200 199,97 0,3363 142,56 1707,0 1,29559 550 554,74 11,86 396,86 133,1 2,31809 210 209,97 0,3987 149,69 1512,0 1,34444 560 565,17 12,66 404,42 127,0 2,33685 220 219,97 0,4690 156,82 1346,0 1,39105 570 575,59 13,50 411,97 121,2 2,35531 230 230,02 0,5477 164,00 1205,0 1,43557 580 586,04 14,38 419,55 115,7 2,37348 240 240,02 0,6355 171,13 1084,0 1,47824 590 596,52 15,31 427,15 110,6 2,39140 250 250,05 0,7329 178,28 979,0 1,51917 600 607,02 16,28 434,78 105,8 2,40902 260 260,09 0,8405 185,45 887,8 1,55848 610 617,53 17,30 442,42 101,2 2,42644 270 270,11 0,9590 192,60 808,0 1,59634 620 628,07 18,36 450,09 96,92 2,44356 280 280,13 1,0889 199,75 738,0 1,63279 630 638,63 19,84 457,78 92,84 2,46048 285 285,14 1,1584 203,33 706,1 1,65055 640 649,22 20,64 465,50 88,99 2,47716 290 290,16 1,2311 206,91 676,1 1,66802 650 659,84 21,86 473,25 85,34 2,49364 295 295,17 1,3068 210,49 647,9 1,68515 660 670,47 23,13 481,01 81,89 2,50985 300 300,19 1,3860 214,07 621,2 1,70203 670 681,14 24,46 488,81 78,61 2,52589 305 305,22 1,4686 217,67 596,0 1,71865 680 691,82 25,85 496,62 75,50 2,54175 310 310,24 1,5546 221,25 572,3 1,73498 690 702,52 27,29 504,45 72,56 2,55731 315 315,27 1,6442 224,85 549,8 1,75106 700 713,27 28,80 512,33 69,76 2,57277 320 320,29 1,7375 228,42 528,6 1,76690 710 724,04 30,38 520,23 67,07 2,58810 325 325,31 1,8345 232,02 508,4 1,78249 720 734,82 32,02 528,14 64,53 2,60319 330 330,34 1,9352 235,61 489,4 1,79783 730 745,62 33,72 536,07 62,13 2,61803 340 340,42 2,1490 242,82 454,1 1,82790 740 756,44 35,50 544,02 59,82 2,63280 350 350,49 2,379 250,02 422,2 1,85708 750 767,29 37,35 551,99 57,63 2,64737 360 360,58 2,626 257,24 393,4 1,88543 760 778,18 39,27 560,01 55,54 2,66176 370 370,67 2,892 264,46 367,2 1,91313 770 789,11 41,31 568,07 53,39 2,67595 380 380,77 3,176 271,69 343,4 1,94001 780 800,03 43,35 576,12 51,64 2,69013 390 390,88 3,481 278,93 321,5 1,96633 790 810,99 45,55 584,21 49,86 2,70400 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 33 2. Cálculo de Propiedades Termodinámicas Transformaciones termodinámicas IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 34 3. Primer Principio de la Termodinámica PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA La energía no se crea ni se destruye solamente se transforma (excepto en reacciones nucleares) EENTRADA = ESALIDA + EACUMULADA 1. Agua embalsada 2. Presa 3. Rejas 4. Conducción 5. Grupos turb.-altern. 6. Turbina 7. Eje 8. Generador 9. Líneas de transporte 10. Transformadores IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 35 3. Primer Principio de la Termodinámica SISTEMAS CERRADOS SIN REACCIÓN QUÍMICA Q W 0 0 SISTEMA EAC EE – ES + {Q-W}NETO = EAC {Q-W}NETO = EAC = EFINAL –EINICIAL = ∆E EAC = EFINAL –EINICAL = ∆E => Energía asociada a materia: EC, EP, U {Q-W}NETO = Q-W = EAC = EFINAL –EINICIAL = {EC + EP + U}F – {EC + EP + U}I Q-W = {ECF-ECI} + {EPF-EPI} + {UF-UI} = ∆EC + ∆EP + ∆U Q-W>0 => ↑U del sistema Sistemas estáticos: ∆EC = ∆EP =0 => Q - W = ∆U Q-W ↓U del sistema W = 0 => Q = ∆U Q = 0 => W = ∆U Sistema adiabático IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 36 3. Primer Principio de la Termodinámica SISTEMAS ABIERTOS SIN REACCIÓN QUÍMICA EE – ES + {Q-W}NETO = EAC Régimen estacionario  EAC = 0  EE – ES + {Q-W}NETO = 0 E = EC + EP + U + m P v Siendo m P v = TRABAJO DE FLUJO: trabajo que realizan las fuerzas de presión para introducir y extraer materia del sistema. U + m P v = H  E = EC + EP + H {Q-W}NETO = Q-W = {EC + EP + H}E – {EC + EP + H}S Q-W = 𝑚𝑚S (ec + ep + h)S −mE (ec + ep + h)E 𝑉𝑉𝑆𝑆2 𝑉𝑉𝐸𝐸2 Q-W = 𝑚𝑚S ( 2 + 𝑔𝑔 · 𝑧𝑧𝑆𝑆 + ℎ𝑆𝑆 ) −mE ( 2 + 𝑔𝑔 · 𝑧𝑧𝐸𝐸 + ℎ𝐸𝐸 ) Δh >>>> Δec ó Δep Q – W = ΔH = m Δh Balance de materia : mE = mS = m IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 37 4. Segundo Principio de la Termodinámica Los procesos sólo ocurren en cierta dirección. Ej. Una taza de café caliente no se calentará de forma espontánea al ponerla en contacto con un objeto más frío. Las transformaciones y procesos se producen en el sentido en el que aumenta el grado de desorden del universo (entropía). El Segundo Principio de la Termodinámica permite: Identificar la dirección de los procesos. Determinar los límites teóricos de las eficiencias de máquinas térmicas y frigoríficas. Estudiar la calidad de la energía (exergía) y su degradación en los procesos MÁQUINAS TÉRMICAS ¿Es posible producir W Al realizar W sobre el gas, T calentando el gas? éste se calienta EJE W NO GAS IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 38 4. Segundo Principio de la Termodinámica Fuente COMBUSTIBLES FÓSILES COMBUSTIBLE NUCLEAR FOCO DE ↑T RADIACIÓN SOLAR ENEGÍA GEOTÉRMICA Q1 MÁQUINA W MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA TÉRMICA CENTRALES TÉRMICAS Q2 FOCO DE ↓T AGUA (ríos, lagos, mar, …) AIRE Sumidero TRABAJO NETO PRODUCIDO WNETO EFICIENCIA TÉRMICA = η= CALOR APORTADO AL PROCESO Q APORTADO IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 39 4. Segundo Principio de la Termodinámica ENUNCIADO DE CLASIUS ENUNCIADO DE KELVIN-PLANCK FOCO CALIENTE T Foco CALIENTE FOCO caliente 1 Q1 Q1 T1 XQ2 X Ciclo W T2 FOCO FRÍO T2 Foco frio FOCO FRÍO No es posible el flujo de calor espontáneo de un No es posible construir una máquina térmica foco frío a un foco caliente que pueda transformar calor en trabajo  Las transformaciones y procesos se producen ninguna máquina térmica puede tener una en el sentido en el que aumenta el grado de eficiencia térmica inferior al 100% desorden del universo IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 40 4. Segundo Principio de la Termodinámica IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 41 5. Combustión DEFINICIÓN: Reacción química con consumo de oxígeno. Reacción química mediante la cual se transforma la energía química contenida en los combustibles en energía térmica. ENERGÍA COMBUSTIBLES CALOR, LUZ ELÉCTRICA (FÓSILES) ENERGÍA MÁQUINA ENERGÍA + COMBUSTIÓN GASES TÉRMICA TÉRMICA MECÁNICA COMBURENTE TRANSPORTE CENIZAS INDUSTRIA ESQUEMA BÁSICO DE COMBUSTIÓN: COMBUSTIBLE + COMBURENTE  GASES DE COMBUSTIÓN + CENIZAS + E - COMBUSTIBLE => Fuente de H y C (hidrocarburos) - COMBURENTE => Fuente de O2 (aire, aire enriquecido, O2) - GASES DE COMBUSTIÓN => Inertes gaseosos (N2), CO2, H2O, SO2 y NOx - CENIZAS => Residuo sólido que contiene especies no combustibles - ENERGÍA TÉRMICA. Objetivo: minimizar la pérdida de energía (imperfección de la combustión y exceso de aire) IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 42 45. Combustión HERRAMIENTA FUNDAMENTO FINALIDAD Balance de materia Ppio. Conservación de Materia Cálculo Estequiométrico Balance de energía 1er Ppio. de la Termodinámica Cálculo de Temperatura Rendimiento térmico combustión 2° Ppio. de la Termodinámica Cálculo de E aprovechable CONTENIDO ENERGÉTICO DE LOS COMBUSTIBLES COMBUSTIBLE GASES DE COMB. C: Carbono O: Oxígeno (posibles CO2 compuestos oxigenados) TC C + O2  CO2 mg ,TG H2O H: Hidrógeno H2 +(1/2) O2  H2O SO2 N: Nitrógeno (posibles XC, XH, XS S + O2  SO2 Xa, TG N2 XO, XN, XW compuestos nitrogenados) O2 Xa l = lt (1+λ) CENIZAS S: Azufre (posibles TA compuestos de azufre) W: agua 23,2 % O2 a: ceniza (ash) COMBURENTE 76,8 % N2 Mezcla de hidrocarburos, o mezcla de éstos con sustancias no combustibles COMPOSICIÓN FRACCIÓN MÁSICA POR ELEMENTOS 𝑀𝑀𝑖𝑖 𝑥𝑥𝑖𝑖 = Σxi = 1 = xC + xH + xS + xO + xN + xW + xa 𝑀𝑀𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 43 5. Combustión CONTENIDO ENERGÉTICO DE LOS COMBUSTIBLES 1. Determine la composición elemental (% en peso) de los siguientes combustibles: a) Carbón (H/C = 0,5; azufre = 1,3 %; inertes = 3,3 %). b) Madera (H/C = 1,4; O/C = 0,66; nitrógeno = 1 %; humedad = 12 %). 𝐇𝐇 = 0,5 Relación atómica 𝐂𝐂 xH 1 xC = 0,5 24 · 𝐱𝐱 𝐇𝐇 = 𝐱𝐱 𝐂𝐂 𝐱𝐱 𝐒𝐒 = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎13 xinertes = 0,033 𝐱𝐱 𝐚𝐚 = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 12 Cenizas xi = 1 = xC + xH + xS + xa 1 = 24 · xH + xH + 0,013 + 0,033 25 · xH = 0,954 𝐱𝐱 𝐇𝐇 = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐱𝐱 𝐂𝐂 = 𝟎𝟎, 𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 44 5. Combustión CONTENIDO ENERGÉTICO DE LOS COMBUSTIBLES 1. Determine la composición elemental (% en peso) de los siguientes combustibles: a) Carbón (H/C = 0,5; azufre = 1,3 %; inertes = 3,3 %). b) Madera (H/C = 1,4; O/C = 0,66; nitrógeno = 1 %; humedad = 12 %). 𝐇𝐇 = 1,4 Relación atómica x i = 1 = x C + x O + x H + x N + x H2 O 𝐂𝐂 xH 1 𝟕𝟕 22 7 xC = 1,4 𝐱𝐱 𝐇𝐇 = · 𝐱𝐱 1 = xC + · xC + · x +0,01 + 0,12 12 𝟔𝟔𝟔𝟔 𝐂𝐂 25 60 C xO 1 = 1,9967 · xC +0,13 𝐎𝐎 16 𝟐𝟐𝟐𝟐 = 0,66 = x 𝐱𝐱 𝐎𝐎 = · 𝐱𝐱 𝐂𝐂 C 𝟐𝟐𝟐𝟐 𝐂𝐂 12 𝐱𝐱 𝐂𝐂 =0,4357 𝐱𝐱 𝐍𝐍 = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐱𝐱 𝐇𝐇 =0,0508 𝐱𝐱 𝐇𝐇𝟐𝟐 𝐎𝐎 = 𝟎𝟎, 𝟏𝟏𝟏𝟏 𝐱𝐱 𝐎𝐎 =0,3834 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 45 5. Combustión CONSUMO DE COMBURENTE COMBUSTIBLE GASES DE COMB. CO2 TC C + O2  CO2 mg ,TG H2O H2 +(1/2) O2  H2O SO2 XC, XH, XS S + O2  SO2 Xa, TG N2 B.C. = 1 kg combustible XO, XN, XW O2 Xa l = lt (1+λ) CENIZAS TA 23,2 % O2 COMBURENTE 76,8 % N2 CONSUMO DE O2 TEÓRICO: kg de O2 necesario para quemar totalmente 1 kg de combustible. 𝑥𝑥𝑐𝑐 1 𝑥𝑥𝐻𝐻 𝑥𝑥𝑠𝑠 𝑜𝑜𝑡𝑡 (𝑘𝑘𝑘𝑘) = 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑂𝑂2 + 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑂𝑂2 + 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑂𝑂2 − 𝑥𝑥𝑂𝑂 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶 2 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐻𝐻2 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑆𝑆 CONSUMO DE AIRE TEÓRICO (lt): kg de aire necesario para quemar totalmente 1 kg de combustible. 𝑂𝑂𝑡𝑡 𝑙𝑙𝑡𝑡 = 𝐴𝐴 𝑥𝑥𝑂𝑂2 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 46 4. Combustión CONSUMO DE COMBURENTE 2. Se quema carbón de Colorado con una composición (% masa) del 87,12 % de C, 5,10 % de H, 5,21 % de O, 2,00 % N, 0,57 % S. Determine: a) El oxígeno necesario para que la combustión completa. b) La relación aire combustible (kg aire/kg combustible). Carbón C: 87,12 %p/p C + O2 → CO2 Gases de combustión H: 5,10 %p/p Aire H2 + (1/2)O2 → H2O CO2, H2O, SO2, N2, O2 O: 5,21 %p/p O: 23,2 %p/p S + O2 → SO2 N: 2,00 %p/p N: 76,8 %p/p S: 0,57 %p/p xc=0,8712 xc 1 xH xs xH=0,0510 ot = PMO2 + PMO2 + PMO2 − xO PMC 2 PMH2 PMS xO=0,0521 xN=0,0200 0,8712 1 0,0510 0,0057 ot = 32 + 32 + 32 − 0,0521 xS=0,0057 12 2 2 32 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐎𝐎𝟐𝟐 𝐨𝐨𝐭𝐭 = 𝟐𝟐, 𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 47 4. Combustión CONSUMO DE COMBURENTE 2. Se quema carbón de Colorado con una composición (% masa) del 87,12 % de C, 5,10 % de H, 5,21 % de O, 2,00 % N, 0,57 % S. Determine: a) El oxígeno necesario para que la combustión completa. b) La relación aire combustible (kg aire/kg combustible). Carbón C: 87,12 %p/p C + O2 → CO2 Gases de combustión H: 5,10 %p/p Aire H2 + (1/2)O2 → H2O CO2, H2O, SO2, N2, O2 O: 5,21 %p/p O: 23,2 %p/p S + O2 → SO2 N: 2,00 %p/p N: 76,8 %p/p S: 0,57 %p/p xc=0,8712 xc 1 xH xs xH=0,0510 ot = PMO2 + PMO2 + PMO2 − xO PMC 2 PMH2 PMS xO=0,0521 xN=0,0200 0,8712 1 0,0510 0,0057 ot = 32 + 32 + 32 − 0,0521 xS=0,0057 12 2 2 32 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐎𝐎𝟐𝟐 𝐨𝐨𝐭𝐭 = 𝟐𝟐, 𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜 ot 2,6848 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚 It = A = 𝐈𝐈𝐭𝐭 = 𝟏𝟏𝟏𝟏, 𝟓𝟓𝟓𝟓 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜 xO 2 0,232 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 48 5. Combustión MASA Y COMPOSICIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN MASA ESPECÍFICA DE HUMOS (mg) B.C. = 1 kg combustible kg de gases de combustión obtenidos en la combustión completa del combustible con aire mg + xa = 1 + l mg = 1 + l - xa = 1+ lt(1+λ) - xa masa de CO 2 CO2 ⇒ xCO2 = masa de gases masa de SO 2 SO2 ⇒ xSO2 = masa de gases COMPOSICIÓN masa de H2 O Suponiendo combustión completa H2 O ⇒ x H2 O = masa de gases masa de N2 N2 ⇒ xN2 = masa de gases masa de O 2 O2 ⇒ xO2 = masa de gases IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 49 5. Combustión MASA Y COMPOSICIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN 3. En un combustor aislado térmicamente del exterior se quema una corriente fuelóleo empleando un 75% de exceso de aire sobre el estequiométrico. La composición elemental en peso del fuelóleo usado es la siguiente: 70 % C, 26 % H, 3% S, 1% N. Calcule la composición de la corriente de gases de combustión a la salida del horno. xc=0,70 Fuelóleo C: 70 %p/p C + O2 → CO2 xH=0,26 H2 + (1/2)O2 → H2O Gases de combustión H: 26 %p/p Aire CO2, H2O, SO2, N2, O2 xN=0,01 N: 1 %p/p O: 23,2 %p/p S + O2 → SO2 xS=0,03 S: 3 %p/p N: 76,8 %p/p λ=0,75 xc 1 xH xs ot 3,9767 ot = PMO2 + PMO2 + PMO2 lt = A = PMC 2 PMH2 PMS xO 2 0,232 0,70 1 0,26 0,03 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚 𝐥𝐥𝐭𝐭 = 𝟏𝟏𝟏𝟏, 𝟏𝟏𝟏𝟏 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜 ot = 32 + 32 + 32 12 2 2 32 I = lt 1 + λ = 17,14 · 1 + O, 75 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐎𝐎𝟐𝟐 𝐨𝐨𝐭𝐭 = 𝟑𝟑, 𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚𝐚 𝐈𝐈 = 𝟐𝟐𝟐𝟐, 𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 50 5. Combustión MASA Y COMPOSICIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN 3. En un combustor aislado térmicamente del exterior se quema una corriente fuelóleo empleando un 75% de exceso de aire sobre el estequiométrico. La composición elemental en peso del fuelóleo usado es la siguiente: 70 % C, 26 % H, 3% S, 1% N. Calcule la composición de la corriente de gases de combustión a la salida del horno. xc=0,70 Fuelóleo C: 70 %p/p C + O2 → CO2 xH=0,26 Gases de combustión H: 26 %p/p H2 + (1/2)O2 → H2O Aire CO2, H2O, SO2, N2, O2 xN=0,01 N: 1 %p/p S + O2 → SO2 O: 23,2 %p/p xS=0,03 S: 3 %p/p N: 76,8 %p/p λ=0,75 B.C.: 1 kg combustible 𝐁𝐁. 𝐌𝐌: 𝐦𝐦𝐠𝐠 = 𝐦𝐦𝐜𝐜 + 𝐈𝐈 mg = 1 + 29,997 𝐦𝐦𝐠𝐠 = 𝟑𝟑𝟑𝟑, 𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗 𝐤𝐤𝐤𝐤 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 51 5. Combustión MASA Y COMPOSICIÓN DE LOS GASES DE COMBUSTIÓN 3. En un combustor aislado térmicamente del exterior se quema una corriente fuelóleo empleando un 75% de exceso de aire sobre el estequiométrico. La composición elemental en peso del fuelóleo usado es la siguiente: 70 % C, 26 % H, 3% S, 1% N. Calcule la composición de la corriente de gases de combustión a la salida del horno. Fuelóleo xc=0,70 C: 70 %p/p C + O2 → CO2 Gases de combustión xH=0,26 H: 26 %p/p H2 + (1/2)O2 → H2O Aire CO2, H2O, SO2, N2, O2 xN=0,01 N: 1 %p/p S + O2 → SO2 O: 23,2 %p/p 𝐦𝐦𝐠𝐠 = 𝟑𝟑𝟑𝟑, 𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗𝟗 𝐤𝐤𝐤𝐤 xS=0,03 S: 3 %p/p N: 76,8 %p/p λ=0,75 xc 0,7 mCO2 2,56 𝐂𝐂𝐂𝐂𝟐𝟐 : mCO2 = · PMCO2 = 44 = 2,56 kg CO2 𝐱𝐱 𝐂𝐂𝐂𝐂𝟐𝟐 = = = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 PMc 12 mg 30,997 x H2 0,26 mCO2 2,34 𝐇𝐇𝟐𝟐 𝐎𝐎: mH2 o = · PMH2 O = 18 = 2,34 kg H2 O 𝐱𝐱 𝐇𝐇𝟐𝟐 𝐎𝐎 = = = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 PMH2 2 mg 30,997 xs 0,03 mCO2 0,06 𝐒𝐒𝐒𝐒𝟐𝟐 : mSO2 = · PMSO2 = 64 = 0,06 kg SO2 𝐱𝐱 𝐂𝐂𝐂𝐂𝟐𝟐 = = = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 PMs 32 mg 30,997 𝐆𝐆 mN2 23,05 C I 𝐍𝐍𝟐𝟐 : mN2 = xN · mC + xN · I = 0,01 · 1 + 0,768 · 29,997 = 23,05 kg N2 𝐱𝐱 𝐍𝐍𝟐𝟐 = = = 𝟎𝟎, 𝟕𝟕𝟕𝟕𝟕𝟕 2 2 mg 30,997 𝐆𝐆 mO2 2,98 I 𝐱𝐱 𝐎𝐎 = = = 𝟎𝟎, 𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐎𝐎𝟐𝟐 : mO2 = xO · I − It = 0,232 · 29,997 − 17,14 = 2,98 kg O2 2 𝟐𝟐 mg 30,997 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 52 5. Combustión PODER CALORÍFICO Energía liberada en la combustión completa de 1 kg de combustible, suponiendo que combustible, comburente y gases de combustión se encuentran a la misma temperatura. Es el valor absoluto de la entalpía de combustión (Energía/masa, kJ/kg). 0 ∆𝐻𝐻𝑅𝑅,𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 0 = ∑ 𝐻𝐻𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃 0 − ∑ 𝐻𝐻𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅𝑅 < 0; 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒; 𝑃𝑃𝐶𝐶 0 = −∆𝐻𝐻𝑅𝑅,𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 0 /Masa PODER CALORÍFICO SUPERIOR (PCS): el agua en los prod. de combustión está en fase líquida. PODER CALORÍFICO INFERIOR (PCI): el agua en los prod. de combustión está en fase vapor. PCS = PCI + (m hfg)H2O m: masa de agua en los productos por unidad de masa de combustible; hfg: entalpía de vaporización del agua PC PCS T PCS T − PCI T = hfg (x w + 9 x H ) PCI T IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 53 5. Combustión PCS vs PCI (kJ/Kg) a 25ºC Carbón y otros combustibles sólidos Combustibles líquidos Combustibles gaseosos Combustible PCI PCS Combustible PCI PCS Combustible PCI PCS Turba 21300 22500 Aceites esquistos - 38830 Gas natural 45000 50000 Lignito 28400 29600 Alcohol comercial 23860 26750 Gas de hulla - 46900 Hulla 30600 31400 Alquitrán de hulla - 37025 Gas de coquería 31400 35250 Antracita 34300 34700 Alquitrán de madera 36420 - Gas de agua 14000 16000 Aglomerados de Etanol puro 26790 29720 Gas ciudad 26000 28000 31300 35600 carbón Metanol 19920 22660 Monóxido de Carbón de madera 31400 33700 10100 10100 carbono Fuel-oil nº1 40600 42695 Carbono 32800 32800 Hidrógeno 120011 141853 Diesel ligero 43200 46100 Coque 29300 33700 Metano 50050 55530 Diesel pesado 42800 45500 Coque de petróleo 34100 36500 Etano 47520 51900 Gasolina 44000 47300 Propano 46350 50450 Petróleo bruto 40895 47970 Butano 45790 49675 Queroseno 43400 46500 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 54 5. Combustión PODER CALORÍFICO 4. Un gas natural está constituido por metano (95 % mol.), etano (3 % mol.) y CO2 (2 % mol.). Determine su poder calorífico inferior y superior, expresado en ambos casos por unidad de kmol, kg y m3 (25ºC, 1atm). Gas natural CH4: 95 % mol CH4 + 2·O2 → CO2 + 2·H2O Gases de combustión C2H6: 3 % mol Aire CO2, H2O, N2, O2 CO2: 2 % mol C2H6 + 7/2·O2 → 2·CO2 + 3·H2O O: 23,2 %p/p N: 76,8 %p/p ∆𝐡𝐡𝟎𝟎𝐑𝐑 = ∆𝐡𝐡𝟎𝟎𝐟𝐟,𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩𝐩 − ∆𝐡𝐡𝟎𝟎𝐟𝐟,𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫 La entalpia de formación de los elementos en sus estados estándar (O2 gas, 0 h0R1 = h0f,CO2 + 2 · hf,H 2 O,v − h0 f,CH 4 − 2 · h0 f,O2 N2 gas, C…) es = 0 h0R1 = −393,51 + 2 · −241,82 − −74,81 − 2 · 0 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐡𝐡𝟎𝟎𝐑𝐑𝐑𝐑 = −𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖, 𝟑𝟑𝟑𝟑 𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦 ≡ − 𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 h0R2 = 2 · h0f,CO2 + 3 · h0f,H2 O,v − h0f,C2 H6 − 7 2 · h0f,O2 h0R2 = 2 · −393,51 + 3 · −241,82 − −84,68 − 7 2 · 0 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐡𝐡𝟎𝟎𝐑𝐑𝐑𝐑 = −𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏, 𝟖𝟖 𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦 ≡ −𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 55 5. Combustión PODER CALORÍFICO 4. Un gas natural está constituido por metano (95 % mol.), etano (3 % mol.) y CO2 (2 % mol). Determine su poder calorífico inferior y superior, expresado en ambos casos por unidad de kmol, kg y m3 (25ºC, 1atm). Gas natural CH4: 95 % mol CH4 + 2·O2 → CO2 + 2·H2O Gases de combustión C2H6: 3 % mol Aire CO2, H2O, N2, O2 CO2: 2 % mol C2H6 + 7/2·O2 → 2·CO2 + 3·H2O O: 23,2 %p/p N: 76,8 %p/p 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐡𝐡𝟎𝟎𝐑𝐑𝐑𝐑 = −𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖, 𝟑𝟑𝟑𝟑 𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦 ≡ − 𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐡𝐡𝟎𝟎𝐑𝐑𝐑𝐑 = −𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏, 𝟖𝟖 𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦𝐦 ≡ −𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 Referido a 1 kmol gas natural: PCI = −∆h0combustió𝑛𝑛 PCI = − 0,95 · ∆h0R1 + 0,03 · ∆h0R2 PCI = − 0,95 · −802340 + 0,03 · −1427800 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 56 5. Combustión PODER CALORÍFICO 4. Un gas natural está constituido por metano (95 % mol.), etano (3 % mol.) y CO2 (2 % mol.). Determine su poder calorífico inferior y superior, expresado en ambos casos por unidad de kmol, kg y m3 (25ºC, 1atm). Gas natural CH4: 95 % mol CH4 + 2·O2 → CO2 + 2·H2O Gases de combustión C2H6: 3 % mol Aire CO2, H2O, N2, O2 CO2: 2 % mol C2H6 + 7/2·O2 → 2·CO2 + 3·H2O O: 23,2 %p/p N: 76,8 %p/p 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 Referido a 1 m3 gas natural: Referido a 1 kg gas natural: n·R·T p·V= n·R·T →V= p −∆h0combustió𝑛𝑛 PCI = atm · m3 PMcombustible 1 kmol · 0,082 · 25 + 273 K kmol · K V= 1 atm 805057 PCI = 𝐕𝐕 = 𝟐𝟐𝟐𝟐, 𝟒𝟒 𝐦𝐦𝟑𝟑 0,95 · PMCH4 + 0,03 · PMC2H6 + 0,02 · PMCO2 805057 −∆h0combustió𝑛𝑛 805057 PCI = PCI = = 0,95 · 16 + 0,03 · 30 + 0,02 · 44 Vcombustible 22,4 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒, 𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑 𝐦𝐦𝟑𝟑 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 57 5. Combustión PODER CALORÍFICO 4. Un gas natural está constituido por metano (95 % mol.), etano (3 % mol.) y CO2 (2 % mol.). Determine su poder calorífico inferior y superior, expresado en ambos casos por unidad de kmol, kg y m3 (25ºC, 1atm). Gas natural CH4: 95 % mol CH4 + 2·O2 → CO2 + 2·H2O Gases de combustión C2H6: 3 % mol Aire CO2, H2O, N2, O2 CO2: 2 % mol C2H6 + 7/2·O2 → 2·CO2 + 3·H2O O: 23,2 %p/p N: 76,8 %p/p 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒, 𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐤𝐤𝐤𝐤 Cálculo PCS: 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑 𝟑𝟑 𝐡𝐡𝟎𝟎𝐯𝐯,𝐇𝐇𝟐𝟐𝐎𝐎 = ∆h0f,H2 O,v − ∆h0f,H2 O,L = −241,82 − −285,83 = 𝟒𝟒𝟒𝟒, 𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐦𝐦 Referido a 1 kmol gas natural: PCS = 0,95 · 0 −∆h0R1 + 2 · ∆hv,H 2O + 0,03 · 0 −∆h0R2 + 3 · ∆hv,H 2O PCS = 0,95 · 802340 + 2 · 44,01 + 0,03 · 1427800 + 3 · 44,01 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 58 5. Combustión PODER 4. Un gas natural está constituido por metano (95 % mol.), etano (3 % CALORÍFICO mol.) y CO2 (2 % mol.). Determine su poder calorífico inferior y superior, expresado en ambos casos por unidad de kmol, kg y m3 (25ºC, 1atm). Gas natural CH4: 95 % mol CH4 + 2·O2 → CO2 + 2·H2O Gases de combustión C2H6: 3 % mol Aire CO2, H2O, N2, O2 CO2: 2 % mol C2H6 + 7/2·O2 → 2·CO2 + 3·H2O O: 23,2 %p/p N: 76,8 %p/p 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒, 𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐤𝐤𝐤𝐤 Cálculo PCS: 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑 𝟑𝟑 𝐡𝐡𝟎𝟎𝐯𝐯,𝐇𝐇𝟐𝟐𝐎𝐎 = ∆h0f,H2 O,v − ∆h0f,H2 O,L = −241,82 − −285,83 = 𝟒𝟒𝟒𝟒, 𝟎𝟎𝟎𝟎 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐦𝐦 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖𝟖 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 Referido a 1 kg gas natural: Referido a 1 m3 gas natural: kJ kJ 845267 845267 kmol PCS = kmol PCS = kg m3 0,95 · 16 + 0,03 · 30 + 0,02 · 44 22,4 kmol kmol 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒𝟒 𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏𝐏 = 𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑 𝐦𝐦𝟑𝟑 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 59 5. Combustión TEMPERATURA TEÓRICA DE COMBUSTIÓN o TEMPERATURA ADIABÁTICA DE LLAMA BALANCE DE ENERGÍA ∆HSALIDA − ∆HENTRADA + G = Q Referencia: - Cond. estándar ∆HPRODUCTOS − ∆HREACTIVOS + ∆𝐻𝐻𝑅𝑅0 = Q - Agua en estado vapor ma CP,a TG − T0 + mG xi,G Cpi TG − T0 − mC xi,C Cpi, Tc − T0 − mI xO2 ,I CPO2 + xN2 CPN2 ,I TA − T0 − PCI 0 = Q Suposiciones: - TA = TC = T0 - Horno adiabático → Q = 0 PCI 0 Temperatura adiabática de llama o TTC = TG = + T0 mG ∑ xi,G Cpi + ma CP,a temperatura teórica de combustión IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 60 5. Combustión 5. Se tiene un gasóleo C con la siguiente composición másica: 87% C, 13% H. La cantidad de azufre y sedimentos del gasóleo se pueden suponer despreciables. Una corriente de 100 kg/h de este gasóleo a 25ºCse quema de forma total en un horno utilizando aire a 25ºC con un 25% molar de aire en exceso. Calcular: a) El caudal molar de aire introducido en el horno. Gasóleo C: 87 %p/p C + O2 → CO2 Gases de combustión H: 13 %p/p Aire H2 + (1/2)O2 → H2O CO2, H2O, N2, O2 TC=25 ºc O: 23,2 %p/p Mc=100 kg/h N: 76,8 %p/p λ=0,25 Ta=25ºC c MCc 1 MH NOA2 ,teórico = + 2 NOA2 ,real = NOA2 ,teórico · 1 + λ = 10,5 · 1,25 12 2 2 A 87 1 13 𝐍𝐍𝐎𝐎𝐀𝐀𝟐𝟐 ,𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫 = 𝟏𝟏𝟏𝟏, 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐡𝐡 NO 2 ,teórico = + 12 2 2 𝐍𝐍𝐎𝐎𝐀𝐀𝟐𝟐 ,𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫 𝐍𝐍𝐎𝐎𝐀𝐀𝟐𝟐 ,𝐭𝐭𝐭𝐭𝐭𝐭𝐭𝐭𝐭𝐭𝐭𝐭𝐭 = 𝟏𝟏𝟏𝟏, 𝟓𝟓 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐡𝐡 𝐍𝐍 𝐀𝐀𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫𝐫 = = 𝟔𝟔𝟔𝟔, 𝟓𝟓 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐡𝐡 𝟎𝟎, 𝟐𝟐𝟐𝟐 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 61 5. Combustión 5. Se tiene un gasóleo C con la siguiente composición másica: 87% C, 13% H. La cantidad de azufre y sedimentos del gasóleo se pueden suponer despreciables. Una corriente de 100 kg/h de este gasóleo a 25ºCse quema de forma total en un horno utilizando aire a 25ºC con un 25% molar de aire en exceso. Calcular: b) Los caudales molares (total e individuales) de los gases de combustión. Gasóleo C: 87 %p/p C + O2 → CO2 Gases de combustión H: 13 %p/p Aire H2 + (1/2)O2 → H2O CO2, H2O, N2, O2 TC=25 ºc O: 23,2 %p/p Mc=100 kg/h N: 76,8 %p/p λ=0,25 Ta=25ºC [Entrada]+[Generación]=[Salida] 87 𝐍𝐍 𝐆𝐆𝐂𝐂𝐂𝐂𝟐𝟐 = 0 + NCC = 0 + = 𝟕𝟕, 𝟐𝟐𝟐𝟐 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐡𝐡 12 13 𝐍𝐍 𝐆𝐆𝐇𝐇𝟐𝟐𝐎𝐎 = 0 + N CH2 = 0 + = 𝟔𝟔, 𝟓𝟓 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐡𝐡 2 𝐍𝐍 𝐎𝐎𝟐𝟐 = NO2 ,real − NO2 ,teórico = 13,125 − 10,5 = 𝟐𝟐, 𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐡𝐡 𝐆𝐆 A A 𝐍𝐍 𝐆𝐆𝐍𝐍𝟐𝟐 = N A · 0,79 = 62,5 · 0,79 = 𝟒𝟒𝟒𝟒, 𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑𝟑 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐡𝐡 𝐍𝐍 𝐆𝐆 = 𝟔𝟔𝟔𝟔, 𝟕𝟕𝟕𝟕 𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤𝐤 𝐡𝐡 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 62 5. Combustión 5. Se tiene un gasóleo C con la siguiente composición másica: 87% C, 13% H. La cantidad de azufre y sedimentos del gasóleo se pueden suponer despreciables. Una corriente de 100 kg/h de este gasóleo a 25ºCse quema de forma total en un horno utilizando aire a 25ºC con un 25% molar de aire en exceso. Calcular: c) La temperatura adiabática de llama de este sistema. Gasóleo C: 87 %p/p C + O2 → CO2 Gases de combustión H: 13 %p/p Aire H2 + (1/2)O2 → H2O CO2, H2O, N2, O2 TC=25 ºc O: 23,2 %p/p Mc=100 kg/h N: 76,8 %p/p λ=0,25 Ta=25ºC ∆HPRODUCTOS − ∆HREACTIVOS + ∆HR0 = Q Ni,G Cpi TG − T0 + −mC · PCI 0 = 0 Suposiciones: Q=0 mC · PCI 0 Estado de referencia: T = 25ºC TG = + T0 G G NCO · CPCO2 + NH 20 · CPH2O + NOG2 · CPO2 + NN G · C PN 2 ∆HREACTIVOS = 0 ; TC = TA = T0 2 2 kg kJ 100 h · −43500 kg TG = + 298 (K) kmol kJ · kmol 7,25 h · 54,56 K + 6,5 · 43,41 + 2,625 · 35,12 + 49,375 · 33,35 𝐓𝐓𝐆𝐆 = 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 º𝐂𝐂 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 63 5. Combustión 5. Se tiene un gasóleo C con la siguiente composición másica: 87% C, 13% H. La cantidad de azufre y sedimentos del gasóleo se pueden suponer despreciables. Una corriente de 100 kg/h de este gasóleo a 25ºCse quema de forma total en un horno utilizando aire a 25ºC con un 25% molar de aire en exceso. Calcular: d) El calor que habría que eliminar del horno par que la temperatura de los gases de combustión sea 650ºC. ∆HPRODUCTOS − ∆HREACTIVOS + ∆HR0 = Q Ni,G Cpi TG − T0 + −mC · PCI 0 = Q Suposiciones: Q=0 Estado de referencia: T = 25ºC 2416,6 600 − 25 + −100 · 43500 = Q ∆HREACTIVOS = 0 ; TC = TA = T0 𝐤𝐤𝐤𝐤 −𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐𝟐 𝐡𝐡 = 𝐐𝐐 IT. Tema 6. Introducción a la Termotecnia Página 64 5. Combustión 5. Se tiene un gasóleo C con la siguiente composición másica: 87% C, 13% H. La cantidad de azufre y sedimentos del gasóleo se pueden suponer despreciables. Una corriente de 100 kg/h de este gasóleo a 25º