Teoria Combustion 1

04. GENERACIÓN DE ENERGÍA TÉRMICA

INGENIERÍA ENERGÉTICA Y TRANSMISIÓN DE CALOR

Ingeniería Energética y Transmisión de Calor


1. ELEMENTOS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN

2. COMBUSTIÓN: DEFINICIONES

3. BALANCE DE MASA

4. COMBUSTIÓN. BALANCE DE ENERGÍA

5. BALANCE DE ENERGÍA

6. RENDIMIENTO




COMBUSTIBLE + COMBURENTE = PRODUCTOS DE LA REACCIÓN

COMBUSTIBLES

Sólidos / Líquidos / Gaseosos

ANÁLISIS INMEDIATO

Carbono fijo

Contenidos volátiles

“ cenizas

“ agua

Proporciona información sobre cualidades del combustible



COMBUSTIBLES

COMPOSICIÓN ELEMENTAL

C kg C/kg combustible

H kg H2/kg “

S kg S/kg “

O kg O2/kg “

W kg H2O/kg “

P kg cenizas/kg “

= 𝟏 𝐤𝐠. 𝐝𝐞 𝐂𝐎𝐌𝐁𝐔𝐒𝐓𝐈𝐁𝐋𝐄

FÓRMULA QUÍMICA

𝐂𝐍 𝐇𝐦 …

Si es gaseoso se expresa en Nm3/Nm3 de combustible




COMBURENTE

Aire: 79% N2, 21% O2

Oxígeno

Aire enriquecido

PRODUCTOS DE LA REACCIÓN

Fase gaseosa: CO2, CO, SO2, N2, NOX, O2

H2O procedente de

Fase sólida: Residuo

Cenizas Carbono no quemado

Combustible Reacción H2

Aire




PRODUCTOS DE LA REACCIÓN

Factores que influyen en la reacción:

- Necesidad de vaporización

(Salvo el C fijo de los combustible sólidos)

Quemadores

- Temperatura

De inflamación: Necesaria para que se empiece a producir la reacción.

De ignición: Necesaria para que la reacción se mantenga sin adición externa de calor.

- Presencia de oxígeno

(Homogeneidad en la mezcla)






3. BALANCE DE MASA



6. RENDIMIENTO




COMBUSTIÓN

Reacción de oxidación rápida y exotérmica entre el oxígeno y un combustible.

TIPOS DE COMBUSTIÓN

Completa: Todos los componentes del combustible se oxidan totalmente.

Incompleta: No todos los componentes del combustible se oxidan totalmente.

Estequiométrica: La reacción tiene lugar con el oxígeno teórico necesario para la combustión completa (oxígeno estequiométrico).

Oxidante: Se introduce más oxígeno del teórico necesario.

Reductiva: Se introduce menos oxígeno del teórico necesario.




EXCESO DE AIRE

Porcentaje de exceso de aire = aire introducido (AR) – aire teórico (AT) dividido entre aire realmente introducido.

% = 𝐀𝐑 − 𝐀𝐓

𝐀𝐑

𝐱 𝟏𝟎𝟎

Coeficiente de exceso de aire = relación entre AR y AT.

n = AR / AT

PODER COMBURÍVORO (A0)

Aire necesario para la combustión completa de la unidad de combustible (m3/kg combustible ó kg/kg combustible).

PODER FUMÍGENO (V0)

Gases producidos en la combustión completa de la unidad de combustible sin exceso de aire (m3/kg combustible ó kg/kg combustible).

Los gases pueden ser secos o húmedos.





3. BALANCE DE MASA



6. RENDIMIENTO



3. BALANCE DE MASA

INTRODUCCIÓN

Objetivo: Calcular los caudales y composición de los elementos de la reacción.

Aplicación:

Hipótesis:

• Paso previo al balance de energía. • Dimensionado equipos auxiliares (ventiladores, quemadores,

chimeneas, …). • Conocer el estado de la combustión.

• El combustible está dado por su composición elemental. • No existe N2 en el combustible. • Todo el O2 en el combustible está en forma de H2O. • El único componente activo no reacciona completamente con el C.



3. BALANCE DE MASA

INTRODUCCIÓN

C C C

H H-0/8 Hd

S S S

O ------ -----

W W+90/8 W´

P P P

1 Kg 1Kg 1Kg



3. BALANCE DE MASA

BALANCE DE CARBONO

Combustible con C kg C / kg combustible y

p kg cenizas / kg combustible.

COMBUSTIÓN DEL C

C + O2 CO2 (+ 8.080 kcal/kg C)

C + ½ O2 CO2 (+ 2.200 kcal/kg C) (70% pérdida)

Se supone que una parte de carbono se quema a monóxido, y otra parte queda sin quemar (residuo).



3. BALANCE DE MASA

BALANCE DE CARBONO

Determinación del carbono en humos (X):

CR se determina analizando el residuo de la combustión (C inquemado y cenizas).

CR =

C´R 𝐤𝐠 𝐂 𝐞𝐧 𝐫𝐞𝐬𝐢𝐝𝐮𝐨

𝐤𝐠 𝐝𝐞 𝐫𝐞𝐬𝐢𝐝𝐮𝐨

𝟏−C´R 𝐤𝐠 𝐜𝐞𝐧𝐢𝐳𝐚𝐬

𝐤𝐠 𝐝𝐞 𝐫𝐞𝐬𝐢𝐝𝐮𝐨

x p 𝐤𝐠 𝐜𝐞𝐧𝐢𝐳𝐚𝐬

𝐤𝐠 𝐜𝐨𝐦𝐛𝐮𝐬𝐭𝐢𝐛𝐥𝐞

C = X + CR



3. BALANCE DE MASA

BALANCE DE CARBONO

Determinación del carbono en humos (X):

𝐂𝐑 = 𝐂´𝐑

𝟏−𝐂´𝐑 𝐱 𝐩

𝐤𝐠 𝐂 𝐞𝐧 𝐫𝐞𝐬𝐢𝐝𝐮𝐨


𝐗 = 𝐂 − 𝐂´𝐑

𝟏−𝐂´𝐑 𝐱 𝐩

𝐤𝐠 𝐂 𝐞𝐧 𝐡𝐮𝐦𝐨𝐬


Se ha necesitado

• Análisis del combustible C p

• Análisis del residuo C´R



3. BALANCE DE MASA

BALANCE DE CARBONO

Determinación de a y b:

Se hace un análisis de gases

Moles totales formados: mT = 𝐱

𝟏𝟐

𝐤𝐦𝐨𝐥𝐞𝐬


mT = mCO2 + mCO

𝐱

𝟏𝟐=

𝐚

𝟏𝟐+

𝐛

𝟏𝟐

Reacción molar = Reacción volumétrica:

𝐦𝐂𝐎𝟐

𝐦𝐓

= 𝐕𝐂𝐎𝟐

𝐕𝐂𝐎𝟐 + 𝐕𝐂𝐎 , 𝐦𝐂𝐎

𝐦𝐓

= 𝐕𝐂𝐎

𝐕𝐂𝐎𝟐 + 𝐕𝐂𝐎

VCO2, VCO = volúmenes parciales de CO2 y CO presentes en los humos

mCO2 = 𝐦𝐓

𝐕𝐂𝐎𝟐

𝐕𝐂𝐎𝟐 + 𝐕𝐂𝐎 , mCO = 𝐦𝐓

𝐕𝐂𝐎




3. BALANCE DE MASA

BALANCE DE CARBONO

Determinación de a y b:

Se ha necesitado

a = 𝐗

𝐕𝐂𝐎𝟐


𝐤𝐠 𝐂 𝐞𝐧 𝐡𝐮𝐦𝐨𝐬 (𝐂𝐎𝟐)


b = 𝐗

𝐕𝐂𝐎


𝐤𝐠 𝐂 𝐞𝐧 𝐡𝐮𝐦𝐨𝐬 (𝐂𝐎)


• Análisis de gases VCO , VCO2

• Análisis del residuo X



3. BALANCE DE MASA

BALANCE DE OXÍGENO (PARA COMBUSTIÓN DEL CARBONO)

Oxígeno para combustión completa:

(Todo el C CO2)

𝟏 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐎𝟐

𝟏 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐂 𝐱

𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐂

𝟏𝟐 𝐤𝐠 𝐂 𝐱

𝐂 𝐤𝐠 𝐂

𝐤𝐠 𝐜𝐨𝐦𝐛𝐮𝐬𝐭𝐢𝐛𝐥𝐞=

𝐂

𝟏𝟐

𝐤𝐦𝐨𝐥𝐞𝐬 𝐎𝟐


𝐂

𝟏𝟐=

𝐗 + 𝐂𝐑𝟏𝟐

= 𝐚 + 𝐛 + 𝐂𝐑

𝟏𝟐

Oxígeno introducido: Coeficiente de exceso N:

n = 𝐨𝐱í𝐠𝐞𝐧𝐨 𝐢𝐧𝐭𝐫𝐨𝐝𝐮𝐜𝐢𝐝𝐨

𝐨𝐱í𝐠𝐞𝐧𝐨 𝐞𝐬𝐭𝐞𝐪𝐮𝐢𝐦é𝐭𝐫𝐢𝐜𝐨=

𝐚𝐢𝐫𝐞 𝐢𝐧𝐭𝐫𝐨𝐝𝐮𝐜𝐢𝐝𝐨

𝐚𝐢𝐫𝐞 𝐞𝐬𝐭𝐞𝐪𝐮𝐢𝐦é𝐭𝐫𝐢𝐜𝐨

𝐧 = 𝐚+𝐛+𝐂𝐑

𝟏𝟐= 𝐧

𝐗+𝐂𝐑

𝟏𝟐 = n

𝐂

𝟏𝟐

𝐤𝐦𝐨𝐥𝐞𝐬𝐎𝟐




3. BALANCE DE MASA


Oxígeno empleado:

Para producir el CO2:

𝟏 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐎𝟐


𝟏 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐂


𝐚 𝐤𝐠 𝐂 𝐂𝐎𝟐


𝐚

𝟏𝟐



Para producir el CO:

𝟏𝟐𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐎𝟐


𝟏 𝐤𝐦𝐨𝐥 𝐂


𝐛 𝐤𝐠 𝐂 𝐂𝐎


𝐛/𝟐

𝟏𝟐



𝐚 + 𝐛/𝟐

𝟏𝟐





3. BALANCE DE MASA


Oxígeno en los humos debido a combustión del C:

𝐧 𝐚+𝐛+𝐂𝐑

𝟏𝟐 -

𝐚+𝐛/𝟐

𝟏𝟐 =

𝐧 − 𝟏 𝐂

𝟏𝟐+

𝐛/𝟐

𝟏𝟐+

𝐂𝐑𝟏𝟐



Lo que se pone

Lo que se usa

Lo que sobra



3. BALANCE DE MASA


Oxígeno en humos debido a combustión del combustible. Combustible genérico: C, H, S:

O2 para combustión C: 𝐎𝟐 = 𝐂

𝟏𝟐

O2 teórico: 𝐎𝐓 = 𝐂

𝟏𝟐 +

𝐒

𝟑𝟐+

𝐇

𝟒

O2 introducido: 𝐎𝐈 = n 𝐎𝐓

O2 consumido: 𝐚

𝟏𝟐 +

𝐛/𝟐

𝟏𝟐+

𝐒

𝟑𝟐+

𝐇

𝟒 = OT -

𝐛/𝟐

𝟏𝟐 -

𝐂𝐑𝟏𝟐

O2 en humos: n OT - OT − 𝐛/𝟐

𝟏𝟐 −

𝐂𝐑𝟏𝟐

= (n -1) OT + 𝐛/𝟐

𝟏𝟐 +

𝐂𝐑𝟏𝟐

N2 en humos: 𝟕𝟗

𝟐𝟏 𝐎𝐈 =

𝟕𝟗

𝟐𝟏 n 𝐎𝐓



3. BALANCE DE MASA

BALANCE TOTAL POR KG DE COMBUSTIBLE

gases residuo

MASA DE AIRE + 1 kg. COMBUSTIBLE = MASA GASES + RESIDUO

REACCIONES OT OXÍGENO CONSUMIDO

P. REACCIÓN (FASE GASEOSA)

P. REACCIÓN (FASE SÓLIDA)

1 k

g. c

om

bu

stib

le

a

b

CR

H

S

W

P

--

--

--

𝐂

𝟏𝟐

𝐇𝐝

𝟒

𝐒

𝟑𝟐

--

--

a/12

𝐛/𝟏𝟐

𝟏𝟐

--

𝐇𝐝

𝟒

𝐒

𝟑𝟐

a/12 [CO2]

b/12 [CO]

--

H/2 [H2O]

S/32 [SO2]

W/18 [H2O]

--

CR

P

Air

e n OT

79/21 n OT

Oxígeno real

N2 real

(n-1)OT + 𝐛/𝟐

𝟏𝟐 +

𝐂𝐑𝟏𝟐

[O2] 𝟕𝟗

𝟐𝟏 n OT [N2]

S + O2 SO2

C + O2 CO2

C + ½ O2 CO

H2 + ½O2 H2O



3. BALANCE DE MASA


Volumen de humos secos:

𝐕𝐟𝐬 = 𝐚 + 𝐛

𝟏𝟐+

𝐒

𝟑𝟐+ 𝐧 − 𝟏 𝐎𝐓+

𝐛/𝟐

𝟏𝟐+

𝐂𝐑𝟏𝟐

+ 𝟑, 𝟕𝟔 𝐧 𝐎𝐓 𝐤𝐦𝐨𝐥


CO2+CO SO2 O2 N2

𝐕𝐟𝐬 = 𝐂

𝟏𝟐+

𝐒

𝟑𝟐+ 𝟒, 𝟕𝟔 (𝐧 − 𝟏) 𝐎𝐓 +

𝐛/𝟐

𝟏𝟐 𝐱 𝟐𝟐, 𝟒

𝐍𝐦𝟑


Volumen de humos húmedos:

𝐕𝐟𝐡 = Vfs+𝐇

𝟐+

𝐖

𝟏𝟖 𝐱 𝟐𝟐, 𝟒

𝐍𝐦𝟑


Vfs = VCO2 + VCO + VSO2 + VO2 + VN2

Vfh = Vfs + VH2O



3. BALANCE DE MASA


Poder comburívoro:

𝐀𝟎 = 𝟒, 𝟕𝟔 𝐱 𝐎𝐓 𝐱 𝟐𝟐, 𝟒

𝐍𝐦𝟑


Poder fumígeno:

Seco: 𝐕𝐨𝐬 = 𝐂

𝟏𝟐+

𝐒

𝟑𝟐+ 𝟑, 𝟕𝟔 · 𝐎𝐓 x 22,4

𝐍𝐦𝟑


Húmedo: 𝐕𝐨𝐡 =𝐂

𝟏𝟐+

𝐒

𝟑𝟐+ 𝟑, 𝟕𝟔 · 𝐎𝐓 +

𝐇

𝟐+

𝐖

𝟏𝟖 x 22,4

𝐍𝐦𝟑


Expresiones particulares (combustión completa):

Vfs = Vos + (n – 1) A0

Vfh = Voh + (n – 1) A0



3. BALANCE DE MASA

CIERRE DEL BALANCE DE MASA

V𝐂𝐎𝟐 = 𝐚/𝟏𝟐

𝐕𝐟𝐬

𝐱 𝟐𝟐, 𝟒 (1)

V𝐂𝐎 = 𝐛/𝟏𝟐

𝐕𝐟𝐬

𝐱 𝟐𝟐, 𝟒 (2)

V𝐒𝐎 = 𝐒/𝟑𝟐

𝐕𝐟𝐬

𝐱 𝟐𝟐, 𝟒 (3)

V𝐎𝟐 = 𝐧−𝟏 𝐎𝐓+

𝐛/𝟐

𝟏𝟐+

𝐂𝐑

𝟏𝟐

𝐕𝐟𝐬

𝐱 𝟐𝟐, 𝟒 (4)

V𝐍𝟐 = 𝟑,𝟕𝟔 𝐧·𝐎𝐓

𝐕𝐟𝐬

𝐱 𝟐𝟐, 𝟒 (5)

𝐕𝐟𝐬 = 𝐂

𝟏𝟐+

𝐒

𝟑𝟐+ 𝟒, 𝟕𝟔 (𝐧 − 𝟏) 𝐎𝐓+

𝐛/𝟐

𝟏𝟐 𝐱 𝟐𝟐, 𝟒



3. BALANCE DE MASA

CIERRE DEL BALANCE DE MASA

Incógnitas: n, a, b, CR

(Necesitamos 4 ecuaciones)

• Balance de carbono: a + b + CR = C (A)

• Análisis del residuo (C´R): 𝐂R = 𝐂´R

𝟏 −𝐂´R 𝐱 𝐩 (B)

y los otros 2 salen de 1 a 5, por ejemplo:

• Análisis de los gases: VCO2 = f (a,b,n) (C)

si VCO2 y VO2 fuesen datos: VO2 = f (a,b,CR,n) (D)





3. BALANCE DE MASA



6. RENDIMIENTO




Primer Principio aplicado a Sistemas Abiertos: Balance de energía

Entra + Generada = Sale + Acumulada

HSR )Te = HPR )Ts + Qt







Expresamos la entalpía en

términos relativos a la

temperatura de referencia:

HSR )Te = HSR )Tref + Δ HSR)𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐞

HPR )Ts = HPR )Tref + Δ HPR )𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐬







Expresamos la entalpía en

términos relativos a la

temperatura de referencia:

HSR )Te = HSR )Tref + Δ HSR )𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐞

HPR )Ts = HPR )Tref + Δ HPR )𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐬




Sustituyendo en la ecuación de balance tenemos:

HSR )Tref + ΔHSR )𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐞 = HPR )Tref + ΔHPR )𝐓𝐫𝐞𝐟

𝐓𝐬 + Qt

Reordenando los términos:

[HSR )Tref – HPR )Tref ] + ΔHSR )𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐞 = ΔH𝐏𝐑𝐓𝐫𝐞𝐟

𝐓𝐬 + Qt

𝐦 x PC + ΔHSR )𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐞 = ΔH𝐏𝐑𝐓𝐫𝐞𝐟

𝐓𝐬 + Qt




Gráficamente: 𝐦 x PC + ΔHSR )𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐞 = ΔH𝐏𝐑𝐓𝐫𝐞𝐟

𝐓𝐬 + Qt




Gráficamente: 𝐦 x PC + ΔHSR )𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐞 = ΔH𝐏𝐑𝐓𝐫𝐞𝐟

𝐓𝐬 + Qt

Hay que tomar una decisión para utilizar PCI o PCS Tref




Cálculo del incremento de entalpía de los productos de la reacción:

Pérdidas por humos

𝚫𝐇𝐏𝐑)𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐬 = 𝐦 cble x 𝛒𝐟𝐬 𝐕𝐟𝐬 𝐂𝐩 𝐟𝐬+ 𝛒𝐇𝟐𝐎

𝐕𝐇𝟐𝐎 𝐂𝐩𝐇𝟐𝐎 x 𝐓𝐬 − 𝐓𝐫𝐞𝐟

𝚫𝐇𝐏𝐑)𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐬 = 𝐦 cble x 𝛒𝐟𝐡 𝐕𝐟𝐡 𝐂𝐩 𝐟𝐡 x 𝐓𝐬 − 𝐓𝐫𝐞𝐟




Temperatura adiabática: Es la máxima temperatura de salida de la cámara de combustión, se alcanza cuando no se transfiere calor a la carga.

Cálculo de la temperatura adiabática

𝐦 x PCI + 𝚫𝐇𝐒𝐑)𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐞 = 𝚫𝐇𝐏𝐑)𝐓𝐫𝐞𝐟

𝐓𝐬 + Qt

𝐦 x PCI + 𝚫𝐇𝐒𝐑)𝐓𝐫𝐞𝐟𝐓𝐞 = 𝐦 cble x 𝛒𝐟𝐡 𝐕𝐟𝐡 𝐂𝐩 𝐟𝐡 x 𝐓𝐬_𝐚𝐝 − 𝐓𝐫𝐞𝐟

0





3. BALANCE DE MASA



6. RENDIMIENTO




BALANCE DE ENERGÍA EN PROCESOS DE COMBUSTIÓN

Qintroducido = Qtransferido + Qgases + Pérdidas

Consideramos, en primer lugar, un caso ideal con pérdidas nulas:

𝐇𝐒𝐑𝐓𝐞 = QT + 𝐇𝐏𝐑

𝐓𝐬

𝐇𝐒𝐑𝐓𝐞 = 𝐇𝐒𝐑

𝐓𝐑 + ΔH𝐏𝐑𝐓𝐑𝐓𝐞

𝐇𝐏𝐑𝐓𝐬 = 𝐇𝐏𝐑

𝐓𝐑 + ΔH𝐏𝐑𝐓𝐑𝐓𝐬

𝐇𝐒𝐑𝐓𝐑 +ΔH𝐒𝐑𝐓𝐑

𝐓𝐞 = 𝐐𝐓+ 𝐇𝐏𝐑

𝐓𝐑 +ΔH𝐏𝐑𝐓𝐑𝐓𝐬

𝐇𝐒𝐑𝐓𝐑 - 𝐇𝐏𝐑

𝐓𝐑 + ΔH𝐒𝐑𝐓𝐑

𝐓𝐞 = QT+ ΔH𝐏𝐑𝐓𝐑𝐓𝐬

𝐦 x PC + 𝐧𝐢 𝐂𝐩,𝐢 𝐝𝐓𝐓𝐞

𝐓𝐑

𝐒𝐑𝐢=𝟏 = QT + 𝐧𝐣𝐂𝐩,𝐣𝐝𝐓

𝐓𝐬

𝐓𝐑

𝐏𝐑𝐣=𝟏

𝐦 x PC + 𝐧𝐢 𝐂𝐩,𝐢 (𝐓𝐞 − 𝐓𝐑)𝐒𝐑𝐢=𝟏 = QT + 𝐧𝐣

𝐂𝐩,𝐣(𝐓𝐬 − 𝐓𝐑)𝐏𝐑𝐣=𝟏

𝐂𝐩 = 𝐂𝐩 𝐝𝐓𝐓𝟐

𝐓𝟏

𝐓𝟐 − 𝐓𝟏




BALANCE DE ENERGÍA EN PROCESOS DE COMBUSTIÓN

Consideraciones: 1. Poder calorífico: Superior. Agua a la salida en estado líquido. Inferior. Agua a la salida en estado gaseoso. 2. Temperatura de referencia: A la entrada, el estado de referencia es gaseoso. En caso de ser líquido, tendría que ser bajo cero para que licuase el N.




MÉTODO SIMPLIFICADO Como vimos, el incremento de entalpía sufrido por las sustancias reaccionantes es despreciable; centrémonos, pues, en el cálculo del incremento de entalpía de los productos de la reacción.

𝚫𝐇𝐏𝐑]𝐓𝐑

𝐓𝐬= 𝐧𝐢 𝐂 𝐩𝐢)𝐓𝐑

𝐓𝐬 · 𝐓𝐬 − 𝐓𝐑 = 𝐕𝐢 𝛒𝐢 𝐂 𝐩𝐢)𝐓𝐑

𝐓𝐬 · 𝐓𝐬 − 𝐓𝐑

ni 𝐂 𝐩𝐢 = ni 𝐤𝐦𝐨𝐥𝐢

𝐤𝐠 𝐜𝐨𝐦𝐛𝐮𝐬𝐭𝐢𝐛𝐥𝐞 · 𝐂 𝐩𝐢

𝐤𝐉

𝐤𝐦𝐨𝐥𝐢 𝐨𝐂

· 0,24 𝐤𝐜𝐚𝐥

𝐤𝐉 ;

𝐤𝐜𝐚𝐥

𝐤𝐠 𝐜𝐨𝐦𝐛𝐮𝐬𝐭𝐢𝐛𝐥𝐞 𝐨𝐂

Vi ρi 𝐂 𝐩𝐢 = ni 𝐤𝐦𝐨𝐥𝐢

𝐤𝐠 𝐜𝐨𝐦𝐛𝐮𝐬𝐭𝐢𝐛𝐥𝐞 · 22,4

𝐍𝐦𝟑𝐢

𝐤𝐦𝐨𝐥𝐢 · ρ

𝐤𝐠𝐢𝐍𝐦𝟑

𝐢

· 𝐂 ´𝐩𝐢 𝐤𝐜𝐚𝐥

𝐤𝐠 𝐨𝐂 ;

𝐤𝐜𝐚𝐥

𝐤𝐠 𝐜𝐛𝐥𝐞 𝐨𝐂

𝚸i = 𝐩𝐞𝐬𝐨 𝐦𝐨𝐥𝐞𝐜𝐮𝐥𝐚𝐫 𝐤𝐠 𝐢

𝟐𝟐,𝟒 𝐍𝐦𝟑𝐢




MÉTODO SIMPLIFICADO

Para el cálculo simplificado se puede tomar:

• Humos secos

𝚫𝐇𝐟𝐬]𝐓𝐑

𝐓𝐬 = Vfs · ρi · 𝐂 𝐩𝐢 · 𝐓𝐬 − 𝐓𝐑

ρi = 1,3 kg/Nm3

Cpi = 0,25 𝐤𝐜𝐚𝐥

𝐤𝐠 𝐨𝐂 (prop. del aire seco en condiciones normales)

• Humos húmedos

𝚫𝐇𝐟𝐡]𝐓𝐑

𝐓𝐬 = [Vfs · 1,3 · 0,25 + VH2O · 0,8 · 0,45] 𝐓𝐬 − 𝐓𝐑





3. BALANCE DE MASA



6. RENDIMIENTO



6. RENDIMIENTO

EXPRESIÓN GENERAL DEL RENDIMIENTO

Ea = Eu + P

“DIRECTO” (1)

“INDIRECTO” (2)

“DA LO MISMO… PERO NO ES IGUAL”

(2) Permite descubrir las causas de un bajo rendimiento… CUESTIONES A TENER EN CUENTA : 1. Nivel de referencia (PCI, PCS). 2. Volumen de control (sólo generador, elementos auxiliares). 3. Período de tiempo (instantáneo, estacional, anual, ...). 4. Rendimiento energético o exergético. 5. Energía aportada o energía primaria.

𝛈 = 𝐄𝐮𝐄𝐚

𝛈 = 𝟏 − 𝐏

𝐄𝐚



6. RENDIMIENTO

CALOR INTRODUCIDO

Cálculo PCI:

1. PCS = 𝐱𝐢 · 𝐏𝐂𝐒𝐢 = C · PCS)C + H · PCS)H2 + S · PCS)S

PCS)C = 8.100 kcal/kg

PCS)H2 = 34.320 kcal/kg

PCS)S = 2.245 kcal/kg

2. PCI = PCS – Calor latente de agua evaporada

PCI = PCS – 600 · (9H + W)

Qintroducido = mCB · PCI + mCB · n · A0 · ρ · Cp (Te – Tr)



6. RENDIMIENTO

PÉRDIDAS POR INQUEMADOS (Pi)

1. INQUEMADOS SÓLIDOS (Pis)

Pis = CR · 8.100

CR = 𝐂´𝐑

𝟏 −𝐂´𝐑· 𝐏

[kcal/kg combustible]

2. INQUEMADOS GASEOSOS (Pig)

Pig = 𝐧𝐢 · 𝐏𝐂𝐢 = VCO · 3.020 = VCO · Vfs · 3.020

(CO + ½ O2 CO2 + 3.020 kcal/kg CO)

Pis = 𝐂´𝐑

𝟏 −𝐂´𝐑· 𝐏 · 𝟖. 𝟏𝟎𝟎



6. RENDIMIENTO


VCO2 = 𝐚/𝟏𝟐

𝐕𝐟𝐬

VCO = 𝐛/𝟏𝟐

𝐕𝐟𝐬

Vfs = 𝐚+𝐛

𝟏𝟐 ·

𝟏

𝐕𝐂𝐎 + 𝐕𝐂𝐎𝟐

= 𝐂 − 𝐂𝐑

𝟏𝟐 ·

𝟏

𝐕𝐂𝐎 + 𝐕𝐂𝐎𝟐

[kcal/kg combustible]

O bien: C + O2 CO2 + 8.100

C + ½ O2 CO + 2.500

5.600 𝐤𝐜𝐚𝐥

𝐤𝐠 𝐜𝐨𝐦𝐛𝐮𝐬𝐭𝐢𝐛𝐥𝐞 perdidas

b = (C – CR) 𝐕𝐂𝐎

𝐕𝐂𝐎+ 𝐕𝐂𝐎𝟐

VCO + VCO2 = 𝐚+𝐛

𝟏𝟐· 𝟏

𝐕𝐟𝐬

𝐏𝐢𝐠 = 𝐕𝐂𝐎

𝐕𝐂𝐎+ 𝐕𝐂𝐎𝟐

𝐂 −𝐂𝐑

𝟏𝟐· 22,4 · 3.020

𝐏𝐢𝐠 = b · 5.600



6. RENDIMIENTO


3. PÉRDIDAS DEBIDAS A LOS HUMOS SECOS (Pfs)

1,3 0,25

4. PÉRDIDAS DEBIDAS AL VAPOR DE AGUA (PH2O)

0,8 0,45

𝐕𝐇𝟐𝐎 = 𝐇

𝟐+

𝐖

𝟏𝟖 (No se incluye el latente porque trabajamos con PCI)

Pfs = V´fs · ρ · Cp )fs · (Ts – Tr) [kcal/kg combustible]

Pfs = V´fs · ρ · Cp )fs · (Ts – Tr) [kcal/kg combustible]



6. RENDIMIENTO


5. PÉRDIDAS SENSIBLES EN RESIDUO (Pres)

6. PÉRDIDAS POR CONVECCIÓN Y RADIACIÓN (Pc/r)

Pres = (CR + p) Cp)res · (Tres – Tr) [kcal/kg combustible]

Pcv = Ur · Ar · (Tg – Text) / mCB [kcal/kg combustible]



6. RENDIMIENTO

DIAGRAMA DE SANKEY (por kg. de combustible)

RENDIMIENTO GLOBAL:

ηg = 𝐐ú𝐭𝐢𝐥

PCI + 𝚫𝐇𝐚𝐢𝐫𝐞)𝐓𝐫𝐓𝐞

ηg = ηc · ηH · ηTF



6. RENDIMIENTO

PRECALENTAMIENTO DE LA CARGA

Situación inicial:

Situación final:

mCB · PCI · ηCB + Δ H)𝐓𝐫𝐓𝐞 = Qútil + mCB · Pc/r + mCB

[ρVCp)fs + ρVCp)H2O] [Tg – Tr]

m´CB · PCI · ηCB + Δ Ha)𝐓𝐫𝐓𝐞 = Q´útil + mCB · Pc/r + m´CB

[ρVCp)fs + ρVCp)H2O] [Tg,e – Tr]



6. RENDIMIENTO


Qint = Cg (Tg,e – Tg,s)

Qint = Cw (Tw,s – Tw,e)

Qint = Cmin · ε (ΔT) min

Cg = m´CB [ρVCp)fs + ρVCp)H2O]

Cmin = Min [Cg, Cw]

[ΔT]max = Tg,e – Tw,e

Hipótesis:

• ηCB Se conserva

• mCB · Pc/r Se conserva

• Tg,e = Tg

Qútil = Q´útil + Qint.



6. RENDIMIENTO


Situación inicial Situación final



6. RENDIMIENTO

PRECALENTAMIENTO AIRE DE ENTRADA (recuperadores)

Situación inicial:

Situación final:

mCB · PCI · ηCB + Δ Ha)𝐓𝐫𝐓𝐚 = Qútil + mCB · Pc/r + mCB

[ρVCp)fs + ρVCp)H2O] [Tg – T´r]

m´CB · PCI · ηCB + Qint = Q´útil + mCB · Pc/r + m´CB [ρVCp)fs + ρVCp)H2O] [Tg,e – Tr]



6. RENDIMIENTO

PRECALENTAMIENTO AIRE DE ENTRADA (recuperadores)

Qint = Cg (Tg,e – Tg,s)

Qint = Ca (Ta,s – Ta,e)

Qint = ε · Ca · (Tg,e – Ta,e)

𝐓𝐞𝐟 = 𝐓𝐫 + 𝐏𝐂𝐈 · 𝛈𝐂𝐁 + 𝐧 · 𝐀𝟎 · 𝛒 · 𝐂𝐩)𝐚 [𝐭𝐚,𝐬 − 𝐓𝐫]

𝛒 · 𝐕𝐂𝐩)𝐟𝐬+ 𝛒 · 𝐕𝐂𝐩)𝐇𝟐𝐎

𝐭𝐚, 𝐬 = f (Tg,e)

𝐂𝐠𝐦´𝐂𝐁

[Tef – Te,g] = 𝐀𝐅

𝐦´𝐂𝐁 σ [(Tg,e + ΔTg)4 – 𝐓𝐜

𝟒] + Pc/r

Teoria Combustion 1

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