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UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
FACULTAD DE INGENIERA
Centro de Extensin Acadmica CESETGRUPO C & T DEL GAS DEPTO. DE ING. MECANICA
ESPECIALIZACION EN COMBUSTIBLES GASESOS:
CONVENIO UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
ECOPETROL
IMPRESO UNIVERSITARIO
ESTIMACIN DE LAS PROPIEDADES DECOMBUSTIN DE COMBUSTIBLES
GASEOSOS
Presentado por:
Ing. MSc. Andrs A. Amell ArrietaMiembro del Grupo de Ciencia y Tecnologa del Gas y Uso Racional de la Energa y
Profesor del Departamento de Ingeniera Mecnica
Medelln, octubre de 2002
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TABLA DE CONTENIDO
Pginas
Importancia y alcances de la combustin..
1. Qu es la combustin?
3
9
2. Condiciones para que ocurra la combustin.. 10
3. Propiedades de combustin. 11
3.1 Introduccin... 113.2 Supuestos para definirlas 12
3.3 Determinacin de propiedades para combustibles gaseosos puros,
relacionadas con el requerimiento de aire y productos de
combustin... 14
3.4 Determinacin de la cantidad estequiomtrica de aire y productos de
combustin para una mezcla de combustibles gaseosos.. 23
3.5 Propiedades relacionadas con las condiciones para que ocurra la
combustin... 32
3.6 Estimacin de propiedades relacionadas con el contenido energtico de
un combustible gaseoso... 39
3.7 Parmetros de un sistema de combustin... 60
3.8 Incidencia del exceso de aire sobre algunas propiedades de
combustin... 62
4. Ejercicios propuestos. 65
BIBLIOGRAFIA 72
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IMPORTANCIA Y ALCANCES DE LA COMBUSTIN
Desde el descubrimiento del fuego hasta nuestros das la combustin ha
jugado un papel trascendental en el desarrollo de la cultura material y el
confort de vida. Con el descubrimiento del fuego el hombre pudo disponer
del calor en un sitio determinado y en cualquier instante para la calefaccin
y atenuar las inclemencias del clima, para coccin de alimentos lo cual
favorecer la diversificacin de su canasta alimenticia y su metabolismo,
para la fusin de los metales que le permiti la fabricacin de artefactos
aplicables en mltiples actividades (agricultura, caza y defensa) y para
ahuyentar los animales y salvaguardar su seguridad.
El hombre descubre el fuego al observar cuando los rayos actuaban como
fuente de ignicin para encender los bosques, a diferencia de otros
animales que ante la ocurrencia de este fenmeno huan, aprendi a
dominarlo y utilizarlo. En principios los seres humanos o sus antepasados
tuvieron que depender del rayo para encender el fuego, si este se apagaba,
tenan que pedirlo a una tribu vecina o esperar que cayese otro rayo,
tardaron miles de aos en aprender a encenderlo, es decir, encontrar
mecanismos de ignicin para no depender del rayo, lo cual se logro
utilizando el frotamiento de utensilios.
Por un largo periodo la humanidad depender de la biomasa (madera y
huesos de animales) como la fuente principal de combustible, la escasez de
madera en Inglaterra en el siglo XVII inducir la bsqueda en el subsuelo
de un combustible sustituto, como lo fue el carbn. La inundacin de las
minas de carbn y la necesidad de drenar para extraer este energtico hizo
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necesaria la invencin de la bomba atmosfrica, inicindose con ella una
serie de invenciones que finalmente daran origen a la mquina de vapor de
Watt y con ella la revolucin industrial. Establecido el carbn y la mquinade vapor a partir de finales del siglo XVIII como los principales soportes del
paradigma energtico vigente en esa poca, la combustin seguir siendo
en el siglo XIX el fenmeno que garantiza la liberacin en forma de calor de
la energa primaria, para usarse directamente o transformarse a otras
formas de energa.
El advenimiento de la era del petrleo y con ello el establecimiento de un
nuevo paradigma energtico a finales del siglo XIX, el cual se consolida con
la maduracin tecnolgica de los motores de combustin interna (diesel,
otto y posteriormente la turbina a gas) y equipos trmicos de combustin y
transferencia de calor, advertir tambin que la combustin continuar
siendo el mecanismo que garantice la liberacin de energa primaria durante
el siglo XX.
Por razones tecnolgicas, ambientales, econmicas y geopolticas, los
expertos en prospectiva energtica vaticinan para los primeros cuarenta
aos del siglo XXI una transicin de una base energtica soportada en el
petrleo hacia una basada en el gas natural inicialmente y posteriormente
en el hidrgeno.
Aunque con la disponibilidad tecnolgica de la celda de combustible
(mecanismo que convierte la energa qumica almacenada en un
combustible en energa elctrica y calor mediante fenmenos
electroqumicos), la combustin ya no ser el nico mecanismo para la
liberacin de la energa qumica de un combustible y su conversin a otras
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formas de energa, seguir conservando su importancia, en particular en
aquellos sistemas y procesos que requieren de grandes cantidades de
energa.
En resumen, cuando se analiza la evolucin y prospectiva energtica de la
humanidad, se concluye que la combustin ha sido y ser un fenmeno
significativo para el desarrollo econmico, social y cientfico. Como
ilustracin a continuacin se presenta la evolucin y prospectiva de la
canasta energtica mundial.
Evolucin y prospectiva de la canasta energtica mundial.
Fuente: Energy Future Gas. US Geological Survey
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Por mucho tiempo la combustin tuvo inters cientfico y tecnolgico por su
incidencia en el diseo, optimizacin, eficiencia y economa de los sistemas
de conversin energtica (mquinas de combustin interna y equipostrmicos). Ms recientemente debido a que los combustibles fsiles se
constituyen en una de las mayores fuentes de contaminacin ambiental, el
estudio de la combustin para identificar los mecanismos fsicos, qumicos y
trmicos de la formacin y atenuacin de los contaminantes, se constituye
en otra dimensin de la importancia cientfica y tecnolgica de este
fenmeno.
La combustin como disciplina cientfica es una conjuncin de diversas
reas del conocimiento, que con base a sus interacciones y
complementariedades en el examen de fenmenos de combustin, han
hecho posible la construccin de un cuerpo de conocimientos slidos,
coherentes y de gran alcance predictivo, estas reas del conocimiento son:
Termodinmica y la Termoqumica. El fenmeno de combustin se
caracteriza por una serie de transformaciones energticas y procesos de
generacin de entropa, los cuales se examinan a la luz de las leyes
bsicas de estas disciplinas.
Cintica Qumica. Estudia los mecanismos de iniciacin, propagacin y
terminacin de las reacciones qumicas intermedias y la formacin de
especies qumicas, durante un proceso de combustin.
Fenmenos de Transporte (momentum, masa y calor). Un proceso de
combustin se caracteriza por la ocurrencia de flujo de fluido,
transferencia de masa y transferencia calor al interior de la zona de
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combustin y desde esta hacia el exterior, por ello los fenmenos de
transporte es una disciplina imprescindible para su examen.
Aerodinmica. En un proceso de combustin los fenmenos
aerodinmicos tienen que ver con las interacciones de los flujos de
combustible y comburente, con la estructura y longitud de las llamas, con
los mecanismos de estabilizacin de llama y con la formacin de
corrientes de recirculacin en las cmaras de combustin.
De vital importancia para el desarrollo cientfico y tecnolgico de la
combustin han sido las tcnicas experimentales para:
- Determinar campos y gradientes de presin y temperatura en una zona
de combustin.
- Determinar concentraciones de especies qumicas.
- Determinar campos de velocidad.
- Determinar flujo de energa trmica.
- Determinar la composicin qumica de productos de combustin.
En materia de tcnicas experimentales para el estudio de la combustin se
observa una tendencia desde tcnicas intrusivas (contacto directo con los
fenmenos) a no intrusivas en las que no ocurren interferencias de la
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medicin con el fenmeno. En el desarrollo de las tcnicas no intrusivas
esta jugando un papel importante la instrumentacin ptica, particularmente
el lser.
El advenimiento de las tcnicas computacionales como la mecnica de
fluidos computacionales, esta abriendo un nuevo campo de investigacin y
entregando nuevas herramientas para el estudio de la combustin, es por
ello que hoy y en los prximos aos la simulacin y modelizacin sern
usuales en la investigacin, diseo y optimizacin de sistemas de
combustin.
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1. Que es la Combustin?
La combustin es una reaccin de oxidacin en la que los elementoscombustibles (C, H y S) reaccionan con el Oxigeno, liberndose calor y
formando productos de combustin. El calor liberado proviene de la energa
qumica almacenada en las molculas de los combustibles.
El efecto luminoso que en algunos tipos de combustin se presenta es
explicado por la excitacin de tomos y molculas debido a las altas
temperaturas. El volumen de gases en el que ocurren las reacciones de
oxidacin con efecto luminoso se denomina llama. Conviene aclarar que no
todas las combustiones en la naturaleza van acompaadas del fenmeno de
llama, dependiendo de las temperaturas que se alcanzan en la zona de
combustin puede no tenerse efecto lumnico, as por ejemplo, en la
combustin cataltica del gas natural no se presenta llama, pero si se
presentan reacciones de oxidacin.
Como puede observarse, los dos actores de un proceso de combustin son elcombustible y el comburente (Oxigeno O2).
En el desarrollo cientfico y tecnolgico de la combustin la mayor
preocupacin se ha centrado en la disponibilidad, calidad y tratamiento de los
combustibles; en relacin con el comburente se considera que est disponible
en el aire. Sin embargo, la disponibilidad y calidad del Oxigeno para la
combustin, incide en la ocurrencia ptima y segura de esta, algunos factores
que afectan la disponibilidad y calidad del O2 son:
El aumento de altura sobre el nivel del mar disminuye la presin parcial
del O2, reducindose su contenido msico, lo cual incide en la
combustin incompleta del carbono, en la Tabla 1 se presenta el efecto
de la altitud sobre el contenido msico de O2.
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+Si se considera el aire seco, por cada mol de O2 existen 4.76 moles de
aire, con la presencia de otros compuestos que alteren esta
composicin, se presenta viciado del aire, lo que repercute en la calidady estabilidad de la combustin. Una fuente frecuente de viciado del aire
es la recirculacin de productos de combustin (CO2 y N2).
Tabla 1. Efecto de la altitud sobre el contenido msico de oxigeno
en el aire
Altitud (m) Patm (bar) T (K) MO2 (Kg) %0 1.013 293 0.2803 0
1500 0.852 293 0.235 16.22600 0.752 293 0.2080 25.8
Fuente: Clculos del Grupo de Ciencia y Tecnologa del Gas
2. Condiciones para que ocurra la combustin
La presencia de un combustible y el comburente, no es condicin suficiente para
que la combustin se inicie, auto - sostenga y propague, se requieren de otras
condiciones complementarias para su ocurrencia, las cuales estn asociadas a
propiedades fsicas y qumicas de la mezcla combustible y comburente.
Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, la combustin de un
combustible ocurre de manera sostenida cuando se den simultneamente las
siguientes condiciones:
Que estn presente combustible y comburente en proporciones adecuadas,
ello est relacionado con que la mezcla combustible comburente debe
encontrarse en su respectivo intervalo de inflamabilidad. Adicionalmente se
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requiere que se de un contacto ptimo entre las molculas de combustible y
comburente
Que la mezcla combustible y comburente se energice hasta alcanzar su
temperatura de ignicin. Esta condicin esta asociada a dos propiedades
caractersticas de una mezcla combustible comburentes como son: la
energa y temperatura de ignicin.
Como puede observarse la ocurrencia y propagacin de combustin,
depender de s se tienen condiciones coincidentes con tres propiedades de
combustin: intervalos de inflamabilidad, energa de ignicin y temperatura de
ignicin, los cuales se estudiaran ms adelante.
3. Propiedades de combustin
3.1 Introduccin
Para el manejo de los combustibles en sus aplicaciones energticas, es
frecuente conocer acerca de la disponibilidad energtica por cantidad de
combustible, de las condiciones para que ocurra la combustin, de los
requerimientos de aire para tener una combustin completa, de la cantidad y
composicin de productos de combustin. Estos requerimientos pueden ser
fcilmente determinados cuando se conocen las propiedades de combustin
de la mezcla combustible comburente utilizada, de ah la importancia de este
tema en la ingeniera de combustin.
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3.2 Supuestos para definirlas
Para introducir las propiedades de combustin se establecen las siguientesconsideraciones:
La combustin del combustible y el comburente es estequiomtrica.
En una combustin estequiomtrica los elementos combustibles se oxidan
completamente y el Oxigeno suministrado es totalmente usado. Este tipo
de combustin desde el punto de vista energtico representa la condicin
ptima o ideal cuando se queme un combustible. Las reacciones
estequiomtricas de los elementos que pueden estar presentes en un
combustible son:
La reaccin estequiomtrica de un hidrocarburo (CxHy) con Y tomos de
Hidrgeno y X de Carbono, queda representado por:
calorSOOS:Azufre
calorOHO21H
calorOHO2
1H2:Hidrogeno
calorCOOC:Carbono
22
222
22
22
++
++
++
++
calorOH2
yxCOOx
4
yHC 222yx ++
++
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Toda reaccin qumica de combustin cumple con el principio de
conservacin de la masa: la materia no se crea ni se destruye. En las
reacciones de combustin los tomos y molculas se combinanformando compuestos, cumplindose con la ecuacin:
Masa de reactivos = masa de productos.
Si el Oxigeno se toma del aire atmosfrico y este se considera seco, la
presencia de vapor de agua altera su composicin, en la Tabla 2 se
presenta la composicin del aire atmosfrico en funcin de la
temperatura de bulbo seco y la humedad relativa.
La presencia del vapor agua en el aire tiene implicaciones fsica y
qumica sobre el proceso de combustin, as por ejemplo, incide en el
aumento de las emisiones de monxido de carbono y reduce las
emisiones de NOx, aumenta el calor especfico de los gases de
combustin. En pases tropicales con la alta intensidad de radiacin el
aire atmosfrico presenta hmedades relativas muy altas durante lamayor parte del da, por lo que la consideracin de aire seco debe ser
tomada cuidadosamente.
Si consideramos el aire seco, su composicin es de 21% O2 y 79% N2,
con lo cual se establece las siguientes relaciones:
Por cada mol o metro cbico de Oxigeno se tienen 3.76 moles o metro
cbico de Nitrgeno.
4.76VV
0.21VVV
V
2
2
Oaire
aireO
O
N
O
N
=
=== 76.32
2
2
2
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Si el combustible esta en fase gaseosa, este y el aire se consideran
gases ideales.
Tabla 2. Composicin del aire hmedo.
Fuente: North American Handbook Combustin Volumen 1
3.3 Determinacin de propiedades para combustibles gaseosos puros,
relacionadas con el requerimiento de aire y productos de combustion
A continuacin, a partir de la combustin estequiomtrica del Metano se ilustra
cmo se determinan propiedades de combustin relacionadas con el
requerimiento de aire y la cantidad de productos de combustin, las cuales
pueden ser expresadas en trmino molar, msico y volumtrico.
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Por mucho tiempo ha sido la usanza en la industria del gas expresar estas
propiedades en trminos volumtricos, pero recientes aplicaciones del gas
natural en generacin elctrica y como combustible motor, hacen necesariotambin manejarlas en trminos msicos.
Para manejar estas propiedades de combustin en trminos volumtricos,
conviene recordar que debido a que un volumen de gas es funcin de la
temperatura y presin al que se mide, se hace necesario establecer estado de
referencia, en funcin del cual debe expresarse todo volumen considerado.
Los estados referencias utilizados en la industria del gas son:
Normal Temperatura: Tn = O C = 273 K
Presin: Pn = 1013 mbar
Este estado de referencia est vigente en los pases europeos
Standard Temperatura: Tst = 15.6 C = 288.6 K
Presin: Pst = 1013 mbar
En Estados Unidos se trabaja con el estado standard, las regulaciones y
normas tcnicas colombianas para el manejo de los combustibles gaseosos
tambin lo han acogido.
Dependiendo de s se considera el gas ideal o real, las expresiones para llevar
un volumen de gas a la temperatura y al volumen de referencia son:
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Donde:
V*: volumen de gas en el estado de referencia, normal o estndar.
P*: presin absoluta en el estado de referencia, normal o estndar.
T*: temperatura absoluta en el estado de referencia, normal o estndar.
Z*: factor de compresibilidad en estado de referencia, normal o estndar.
V: volumen medido o considerado a condiciones de P y T.
P: presin absoluta a la que se considera el volumen V.
T: temperatura absoluta a la que se considera el volumen V.Z: factor de compresibilidad a condiciones de P y T
En este texto cuando se denote por el subndice asterisco (*), se estarhaciendo referencia al estado normal o estndar.
Al plantearse la reaccin estequiomtrica del CH4, se establece:
Z
Z
P
P
T
TVV:realgasPara
T
P
P
T
VV:idealgasPara
*
*
*
*
*
*
*
=
=
222224 52.7252.72 NOHCONOCH ++++
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En trminos volumtricos se tiene:
Para quemar estequiomtricamente un m3
* de CH4 se requieren 9.52m3* de aire.
Al quemar estequiomtricamente un m3* de CH4 se obtienen: un m3* de
CO2, 2m3* de H2O, 8.52 m
3* de humos secos y 10.52 m
3*de humos
hmedos.
Teniendo en cuenta los resultados anteriores se establecen las siguientes
propiedades de combustin volumtricas para los combustibles gaseosos:
Volumen estequiomtrico de aire (Va). Es el volumen normal o estndar de
aire requerido para quemar estequiomtricamente un m3* de gas combustible,
se expresa en m3* aire/m3* gas.
Volumen de dixido de carbono (VCO2). Es el volumen de dixido de carbono
normal o estndar, producido por la combustin estequiomtrica de un m3* degas combustible, se expresa en m3*CO2/m
3* gas.
(Volumen de agua VH2O). Es el volumen de vapor de agua normal o estndar
producido por la combustin estequiomtrica de un m3* de gas combustible, se
expresa en m3*H2O/m3* gas.
Volumen de humos secos o poder fumgeno seco (Vf). Es el volumen de
humos secos normal o estndar producido por la combustin estequiomtrica
de un m3* de gas combustible, se expresa en m3* humos secos/m
3* gas
Volumen de humos hmedos o poder fumgeno hmedo (V f). Es el
volumen de humos hmedos normal o estndar producido por la combustin
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estequiomtrica de un m3* de gas combustible, se expresa en m3*humos
humedos/m3* gas.
Porcentaje mximo de CO2. Es la relacin entre el volumen de CO2 y el
volumen de humos secos en porcentaje, en condiciones de combustin
estequiomtrica este valor es mximo.
De la reaccin estequiomtrica del Metano, se obtienen:
CHm
sec.humosm8.52V
CHm
.humhumosm52.10V
CHm
OHm2V
CHm
COm1V
CHm
airem52.9V
4
3
*
3
*f
4
3
*
3
*f
4
3
*
2
3
*OH
4
3
*
2
3
*CO
4
3
*
3
*a
2
2
===
==
En la Tabla 3 se presentan las propiedades de combustin volumtricas para
los combustibles gaseosos puros, los cuales se obtienen planteando sus
respectivas reacciones estequiomtricas.
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Tabla 3. Propiedades volumtricas de algunos combustib
Componente FormulaVa
gasSt
aireST
mm
)(3
)(
3
Vf
gas)ST(3
.humhumos)ST(
3
mm
Vf
gas)ST(
3
.sechumos)ST(3
m
m PCIVO
m
Metano CH4 9.52 10.52 8.52
Etano C2H6 16.66 18.16 15.16 1
Propano C3H8 23.80 25.8 21.8 2
Butano Normal C4H10 30.94 33.44 28.44 3
Isobutano C4H10 30.94 33.44 28.44 3
Pentano Normal C5H12 38.08 41.08 35.08 3
Isopentano C5H12 38.08 41.08 35.08 3
Etileno C2H4 14.28 15.28 13.28 1
Propileno C3H6 21.42 22.92 19.92 2
Butileno C4H8 28.56 30.56 26.56 2
Acetileno C2H2 11.90 12.4 11.4 1
Hidrogeno H2 2.38 2.88 1.88 Monxido de C CO 2.38 2.88 2.88
Tomado de: Estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnologa
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A partir de la reaccin estequiomtrica del CH4, a continuacin se ilustra cmo
se obtienen las propiedades anteriores en trminos msicos, para ellorecordemos la relacin entre masa (m), mol (n) y peso molecular (M):
nMm =
La reaccin del CH4 en trminos msico es como sigue:
Masa estequiomtrica de aire (ma). Es la masa de aire en Kg, necesaria para
obtener una combustin estequiomtrica de un Kg de combustible.
c
aaa
m
Mnm =
Donde na: numero de moles de aire
Ma: peso molecular de aire
mc: masa de combustible
Para el CH4:4
3.1716
29*52.9CH
airea
Kg
Kgm ==
Masa de humos hmedos (mf). Es la masa de productos de combustin
hmedos que se produce por la combustin estequiomtrica de un Kg de
combustible
210.6Kg36Kg44Kg217.7Kg64Kg16Kg
N52.7OH2CON52.7O2CH 222224
++++
++++
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c
h
f m
mm =
Donde:
mh: masa total de humus hmedos.
mc: masa por mol de combustible
Para el CH4:4CH
ohumushumed
f Kg
Kg16.18
166.290m ==
Masa de humos secos (mf). Es la masa de productos de combustin secos en Kg
que se producen por la combustin estequiomtrica de un Kg de combustible.
chf m/mm =
Donde:
mh: masa total de humus secos.
Para el CH4:4CH
osechumus
fKg
Kg9.15
16
6.254m ==
Con el procedimiento descrito se determinan las propiedades msicas para loscombustibles gaseosos puros, en la Tabla 4 se presentan estas propiedades.
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Tabla 4. Propiedades msicas de algunos combustibles
Componente Formula ma
gas
aireKg
Kg
mf
gas
humhumusKg
Kg.
mf
gas
humusKg
Kg.sec PCIma
Metano CH4 17.19095 18.16 15.9142 13
Etano C2H6 15.05056 17.016 15.2187 13
Propano C3H8 15.63567 16.6 14.9659 12
Butano Normal C4H10 15.42103 16.385 14.8353 12
Isobutano C4H10 15.42103 16.385 14.8353 12
Pentano Normal C5H12 15.32191 16.25 14.7488 12Isopentano C5H12 15.32191 16.25 14.7488 12
Etileno C2H4 14.74626 15.71 14.4257 13
Propileno C3H6 14.74626 15.71 14.4257 12
Butileno C4H8 14.7747 15.71 14.4232 12
Acetileno C2H2 13.25935 14.2 13.5071 13
Hidrogeno H2 34.2007 35.32 26.384 33Monxido de C CO 2.461483 3.45 3.45 2
Tomado de: estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnologa
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3.4 Determinacin de la cantidad estequiomtrica de aire y productos de
combustion para una mezcla de combustibles gaseosos.
Una mezcla de combustibles gaseosos (gas natural, GLP, gas manufacturado y
biogas), esta generalmente constituido por los siguientes compuestos:
Elementos combustibles: hidrocarburos (CxHy), monxido de carbono
(CO) e hidrogeno.
Elementos no combustibles: gases inertes (CO2 y N2) y O2 .
Existe la tendencia a obtener la composicin qumica de una mezcla de
combustibles gaseosos en mol o en volumen. Conocida esta composicin, las
propiedades de combustin volumtricas se determinan as:
Volumen estequiomtrico de aire. Si la mezcla de combustible tiene Oxgeno se
tiene:
= 2Oaiia y76.4VyV
Donde:
yi: fraccin molar de cada componente en la mezcla.
Vai: volumen estequiomtrico de aire de cada componente.
YO2 : fraccin de O2 en el combustible.
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Si la mezcla de combustibles gaseosos no contiene O2:
= aiia VyV
Volumen de humus hmedos. Si la mezcla de combustibles contiene gases
inertes como el N2 y CO2, entonces
++= 22 XCOXNVyV ifif
Donde:
Vfi: volumen de humos hmedos de cada componente
XN2: fraccin de N2 en la mezcla de gases
XCO2: fraccin de CO2 en la mezcla de gases
Si la mezcla no contiene CO2 y N2, el volumen de humos hmedos es
Expresiones semejantes se obtienen para el volumen de humos secos,
considerando ahora el volumen de humos secos de cada componente en la
mezcla.
Porcentaje mximo de CO2. Se determina mediante la siguiente expresin
= ifiVyVf
= 22 iCOiCO y
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: porcentaje mximo de cada componente en la mezcla
Para la determinacin de las propiedades msicas estudiadas para una mezcla de
gases combustibles, se requiere conocer su composicin en masa.
Dada la composicin en volumen, la composicin en masa se determina mediante
la siguiente expresin:
Donde:
ymi: fraccin en masa del componente i
yi: fraccin en volumen del componente i
Mi: peso molecular del componente i
MM: peso molecular de la mezcla
Masa estequiomtrica de la mezcla. (mam) Si la mezcla contiene Oxigeno, se
determina as:
= 2mOaimiam y76.4mym
2iCO
M
iimiM
Myy =
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Donde:
mam: masa estequiomtrica de la mezclamai: masa estequiomtrica del componente i
ym02: fraccin en masa del O2 en la mezcla
Si la mezcla no contiene Oxigeno, la masa estequiomtrica es:
= aimiam mym
Masa de humos hmedos de la mezcla. Si la mezcla contiene N2 y CO2, se
define como:
2m2mfimifm NXCOXmym ++= Donde:
fmm : masa de humos hmedos de la mezcla
fim : masa de humos hmedos del componente i
2COXm : fraccin en masa CO2 en la mezcla
2NXm : fraccin en masa del N2 en la mezcla
Considerando la masa de humos secos de cada componente, de manera similar
se determina la masa de humos secos de la mezcla.
En las Tablas 5, 6.1, 6.2 y 7 se presentan la composicin molar, las propiedades
volumtricas y las msicas de los gases naturales colombianos respectivamente.
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Tabla 5. Composicin de los yacimientos de gas natural en C
C A M P OComposicin (% molar) Apiay Payoa El Centro Huila Guajira Ge
Metano 86.2 90.29 91.61 85.06 97.76 96.
Etano 8.45 6.47 6.728 6.18 0.38 0.5
Propano 1.18 1.73 0.028 2.84 0.2 0.
i- Butano 0.12 0.15 0.011 0.46 0 0.0
n- Butano 0.11 0.17 0.012 0.69 0 0.0Otros pesados 0 0.09 0.02 0.43 0 0.
Nitrgeno 0.77 0.35 0.85 1.13 1.29 1.9
CO2 3.17 0.75 0.739 3.21 0.37 0.0
Tomado de: Informacin suministrada por Ecopetrol
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Tabla 6.1. Propiedades volumtricas de combustin de los gases natur
NOMBRE DELCAMPO
d Va Tll(C)
P.C.S(MJ/m3 n )
P.C.I(MJ/m3(n))
W(MJ/m3 n )
L.S
Apiay 0.644 10.13 1846 41.73 37.63 52.0 15
Payoa 0.616 10.24 1899 42.74 38.55 54.47 14.
El Centro 0.598 9.90 1889 41.26 37.17 53.37 14.
Huila 0.665 10.36 1832 43.11 38.96 52.87 14.
Guajira 0.567 9.44 1886 39.40 35.43 52.34 15.
Gepaj 0.569 9.42 1877 39.47 35.51 52.34 15.
Cusiana 0.734 11.04 1798 47.71 41.42 53.36 14.
Opn 0.602 10.16 1896 43.44 39.26 55.97 14.Tomado de: estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnologa
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Tabla 6.2 Caractersticas de los humos de los gases naturales co
Volumen deHumos
Voh
NOMBRE DELCAMPO
Vfo Vfo
VCO2 VH2O VN2 CO2
%CO
Apiay 11.147 9.11 1.108 2.037 8.00 12.17 9.94
Payoa 11.287 9.20 1.106 2.087 8.09 12.02 9.8
El Centro 10.918 8.881 1.06 2.036 7.83 11.94 9.7
Huila 11.406 9.341 1.144 2.065 8.20 12.25 10.0
Guajira 10.438 8.463 0.995 1.975 7.47 11.76 9.5
Gepaj 10.416 8.446 0.993 1.971 7.46 11.75 9.5
Cusiana 12.122 9.99 1.252 2.132 8.73 12.53 10.3
Opn 11.210 9.132 1.095 2.078 8.03 11.99 9.7
Tomado de: estimaciones realizadas por el Grupo de Ciencia y Tecnologa
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Ejemplo.
Un gas natural tiene la siguiente composicin en volumen 85%CH4, 10%C2H6,
4%CO2 y 1%O2, determinar las propiedades de combustin estudiadas.
%44.12100*
04.01.085.0
7604.8
04.010.085.0
7604.10
04.01.085.0
7104.9
76.401.01.085.0
0
3
3
3
3
3
3
2
2
622422
624
624
624
==
++=
=
++=
=
++=
=
+=
f
COCO
HCCOCHCOCO
gasst
hsst
f
HCfCHff
gasst
hhst
f
HfCfCHf
gasst
airesta
HCaCHaa
VV
VVVm
mV
VVV
m
mV
VVV
mmV
VVV
Para encontrar las propiedades msicas hay que determinar la composicin
equivalente en masa:
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gas
hhHCfCHff
gas
hs
HfCfCHf
gas
aire
HaCaCHa
OmmCO
HmCmCH
M
KgKg03.14095.0)m(164.0)m(741.0m
Kg
Kg96.15094.0)m(160.0)m(726.0m
Kg
Kg09.15)76.4(017.0)m(160.0)m(726.0m
017.07239.18
3201.0Y094.0
7239.18
4404.0y
160.07239.18
301.0y726.07239.18
1685.0y
Kmol
Kg7239.18)32(01.0)44(04.0)30(10.0)16(85.0M
624
624
624
22
624
=++=
=++=
=+=
=
==
=
=
==
=
=+++=
3.5 Propiedades relacionadas con las condiciones para que ocurra la
combustion
Limites de inflamabilidad. Corresponden a las proporciones de la mezclacombustible - oxidante (en porcentaje por volumen de gas en la mezcla) para las
cuales la reaccin de combustin puede iniciarse y auto - propague. Significa que
una mezcla cuya composicin no se halle dentro de los limites de inflamabilidad,
no puede encenderse aunque est expuesta a una chispa o a una llama.
El intervalo explosivo de la mezcla est comprendido entre eI limite inferior de
inflamabilidad (LII, LEL) y el lmite superior de Inflamabilidad (LSI, UEL).
Por ejemplo, el porcentaje estequiomtrico de metano en una mezcla metano aire es 9.5% en volumen, experimentalmente se halla que el Lll de la mezcla CH4-
aire a 1 atm es aproximadamente de 5% de CH4 y el LSI es alrededor de 15% de
CH4. Por tanto, una mezcla de CH4-aire que contiene entre 5% y 15% de CH4
puede considerarse un peligro de incendio o de explosin, mientras que una
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mezcla que se halle por debajo del 5% de CH4 o por encima del 15% se considera
segura.
Los lmites de inflamabilidad dependen de la composicin del combustible,presencia de inertes, temperatura y presin de la mezcla combustible oxdante y
de la geometra del recinto donde ocurre la combustin. Un aumento de la
temperatura produce una disminucin en el LII y una elevacin en el LSI es decir
se amplia el Intervalo explosivo; el efecto del aumento de presin es similar al de
temperatura; la presencia de inertes (CO2, N2) estrecha el intervalo explosivo
debido al aumento del LII y disminucin del LSI.
La Tabla 10 y la Tabla 6.1 presentan los lmites de inflamabilidad para las
mezclas de gas combustible puro y aire y de los gases Colombianos y aire a
temperatura inferior de OC y 1 atm. de presin.
Cuando se trata de una mezcla de varios gases combustibles, los lmites de
inflamabilidad se calculan a partir de los valores para los respectivos
componentes, aplicando la ley de Le Chatelier:
1 / ( LII )m = Xi / (LII)i y 1 / (LSI)m = Xi / (LSI)i
(LII)m y (LSI)m: Son los lmites inferior y superior para la mezcla,
respectivamente.
Xi es la fraccin por volumen del componente i en la mezcla.
(LII)i y (LSI)i son respectivamente los lmites inferior y superior de inflamabilidad
del gas i.
Cuando la mezcla de gases combustibles contiene inertes (CO2 , N2) el clculo de
los lmites de inflamabilidad se realiza aplicando la Ley de Le Chatelier y utilizando
los lmites de inflamabilidad para las mezclas binarias de la Figura 1; en sta el
eje de las ordenadas corresponde a la relacin volumen de gas inerte / volumen
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de gas combustible y el de las abscisas a los intervalos de inflamabilidad de la
pareja combustible + inerte. El siguiente ejemplo ilustra el procedimiento de
clculo.
Ejemplo. Calcular los limites de inflamabilidad de en aire de una mezcla con 80%
de CH4 y 20% ce CO.
Con los valores del LSI y LII del CH4 y del CO que aparecen en la Tabla 10 se
obtiene para la mezcla.
1 / LSI = 0.80 /15.0 + 0.20 / 74.0; LSI = 17.8%
1 / LII = 0.80 /5.0 + 0.20 / 12.5; LII = 5.7%
Ejemplo
Calcular los lmites de inflamabilidad para un gas con un contenido de
H2 = 45% O2 = 0.8%
CO = 35% CO2 = 5%CH4 = 9.2% N2 = 5%
El primer paso consiste en determinar el porcentaje de aire equivalente a oxgeno
que entra con el gas as:
%O2 = 0.21 (%aire)
% Aire = % O2 / 0.21 = 0.8 / 0.21 = 3.8%
El contenido de N2 residual es 5 0.79 x 3.8 = 2.0%. La composicin equivalentedel gas es:
H2 45%
CO 35% CO2 5.2%
CH4 9.5% N2 2.1%
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El porcentaje de cada componente en la mezcla libre de aire se determina
multiplicando por 100 / (100 3 .8) = 1.04 as:
H2 46.8%
CO 36.4% CO2 5.2%
CH4 9.5% N2 2.1%
Con los limites de inflamabilidad extrados de la Tabla 10 y de la Figura 1 se
obtiene la siguiente tabla:
Componente o
mezcla binariaXI
Inerte /
CombustibleLII % LSI %
H2
CH4 + N2
CO + CO2
0.468
0.116
0.416
0.22
0.14
4.0
5.2
14.8
75.0
15.8
72.0
Aplicando la ley de le Chatellier:
%6.510.72
416.0
8.15
116.0
0.75
468.0
)(
1
%0.68.14
416.0
2.5
116.0
0.4
468.0
)(
1
=++=
=++=
gas
gas
gas
gas
(LSI)LSI
(LII)LII
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Figura1. Lmite de Inflamabilidad de mezclas binarias
Fuente: Association Technique de l Industrie du gaz en France. La combustion
des gaz et les flames. Colection de techniques gazifiers
Mnima Energa de Ignicin. Es la cantidad de energa que es necesario
suministrar a una mezcla combustible aire para que la combustin se inicie auto
- sostenga y propague. En otras palabras, es la energa requerida para que la
mezcla alcance su temperatura de ignicin.
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La ignicin en un volumen puede ser causado por un calentamiento local, a travs
de un dispositivo caliente o una chispa elctrica. La combustin se inicialocalmente en el punto de ignicin y progresivamente va propagndose y
transformando la sustancia inicial en productos de combustin. La propagacin de
la combustin puede ocurrir por detonacin o deflagracin, mecanismos que se
estudiarn mas adelante.
La energa de ignicin depende de los siguientes factores:
Composicin del comburente, si es Oxigeno puro en proporcin
estequiomtrica, la energa de ignicin requerida es menor que la de
una, mezcla estequiomtrica con aire.
La presin de la mezcla, a menor presin para una composicin
determinada de combustible en la mezcla, la energa de ignicin
requerida es mayor.
La energa de ignicin para mezclas estequiomtricas de propano, butano y gas
natural usando como comburente aire son: 0.30 mj, 0.38 mj y 0.34 mj
respectivamente. En la Figura 2 se presenta para el metano el comportamiento de
la energa de ignicin en funcin de la fraccin de combustible en la mezcla,
composicin del comburente y presin de la mezcla.
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Figura 2. Incidencia sobre la energa de ignicin de la proporcin de metano
en la mezcla, para diferentes composicin del comburente y presin
Fuente: Principles of Turbelent Fired Heat. Institut Francais du Petrole Publications
Punto de inflamacin, Tif. Es la temperatura mnima requerida para que se inicie
la formacin de especies qumicas, denominadas Transportadores de cadena"
encargadas de propagar las reacciones que se dan desde los reactantes hasta
llegar a los productos finales de la combustin.
El punto de inflamacin vara con la composicin del combustible, con la
proporcin combustible a comburente y con las condiciones de operacin. Se
determina experimentalmente.
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Punto de ignicin, Tig.
Es la temperatura mnima que debe alcanzar la mezcla combustible - oxidante
para que se inicie la combustin y se auto - propague.
Esta temperatura depende de la composicin de la mezcla combustible - oxidante,
de la presin y de la presencia de sensibilizadores, sustancias que disminuyen el
punto de ignicin) o de inhibidores(sustancias que lo aumentan). Se determina
experimentalmente.
El punto de ignicin de un gas puro es menor cuando reacciona con Oxgeno puro
que cuando lo hace con aire, la Tabla 10 presenta los puntos de ignicin, en aire,para diversos gases combustibles.
3.6 Estimacin de propiedades relacionadas con el contenido energtico
de un combustible gaseoso.
Poder calorfico. El poder calorfico es la propiedad de combustin que
informa acerca de la energa disponible por cantidad de combustible, por lo que
resulta de inters en las transacciones comerciales, en los sistemas de
transporte y distribucin y en la especificacin de las tecnologas de conversin
energtica.
El poder calorfico se define como la cantidad de energa liberada por un
combustible cuando se queme estequiomtricamente y los productos decombustin salgan a igual condicin (presin y temperatura) a la que entran
los reactivos. Para hidrocarburos e Hidrgeno, debido a la formacin de agua
en la combustin de estos, es necesario diferenciar entre poder calorfico
superior y poder calorfico inferior
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El poder calorfico superior se define como la cantidad de energa liberada
durante la combustin estequiomtrica de un combustible y el agua en losproductos de combustin se encuentra en fase lquida.
El poder calorfico inferior se define como la cantidad de energa liberada
durante la combustin estequiomtrica y el agua en los productos de
combustin se encuentra como vapor. La diferencia entre el poder calorfico
superior e inferior es el calor latente de vaporizacin del agua.
El poder calorfico de un combustible gaseoso puede expresarse en diferentes
formas:
.ft
BTU,
m
h.Kw,
m
MJ:volumetriccalorficoPoder
Kg
BTU,
Kg
Kcal,
Kg
h.Kw,
Kg
MJ:msicocalorficoPoder
lbmol
BTU,
Kmol
Kcal,
Kmol
h.Kw,
Kmol
MJ:molarcalorficoPoder
3
*
3
*
3
*
El poder calorfico de un combustible puede ser determinado por mtodos directos
o indirectos. Por mtodos directos se requiere de un calormetro, la determinacinindirecta se basa en estimaciones a partir de la composicin qumica del
combustible, para ello existen normas internacionales que establecen un
procedimiento de clculo como la ISO 6947 y la ASTM D4891-89(2001).
.
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La estimacin del poder calorfico de un combustible gaseoso requiere considerar
conceptos termoqumicos como el de calor de formacin y reaccin de un
compuesto. A continuacin se realiza una rpida revisin de estos conceptos.
Termoqumica. Se fundamenta en la aplicacin de las leyes de la Termodinmica
a los procesos durante los cuales se producen transformaciones qumicas, siendo
posible evaluar los efectos trmicos de las reacciones qumicas.
Para estimar las propiedades termodinmicas de un sistema es necesario fijar un
estado de referencia. En aquellos sistemas que no experimentan cambios en su
composicin qumica durante una transformacin, este estado puede ser elegido
arbitrariamente no tenindose efecto sobre los resultados. En sistemas reactivos,
donde las composiciones iniciales y finales no son las mismas, es necesario tener
un estado de referencia comn para todas las sustancias.
Para el estudio de sistemas reactivos la Termoqumica fija el siguiente estado de
referencia: temperatura 25C (298K) y presin absoluta de una atmsfera.
Calor de formacin )fh .Es el calor absorbido o liberado cuando un compuestose forma a partir de sus elementos. Si la formacin del compuesto se realiza
cuando se tenga una reaccin exotrmica el calor de reaccin es negativo, si la
reaccin es endotrrmica es positivo.
El calor de formacin tambin se denomina entalpa de formacin, la cual puede
considerarse como la entalpa de una sustancia en un estado especificado debido
a su composicin qumica.
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42
En Tabla 8 se presentan las entalpas de formacin para varios compuestos a una
1 atm y 25C, las cuales son utilizadas en el estado de las reacciones de
combustin para estimar poderes calorficos.
En el estado de referencia de la termoqumica (1 atm y 25C) para los elementos
estables (como O2, N2, H2 y C) se les asigna una entalpa de formacin nula.
Entalpa totalde un compuesto h~
. Si un compuesto se forma a partir de los
elementos estables y se encuentra a una temperatura diferente de 25C, laentalpa total del compuesto depender de la entalpa de formacin y del cambio
de entalpa sensible h~
con respecto a 25C, por lo tanto:
Si los compuestos se consideran como gas ideal, entonces:
En la literatura se reportan para diferentes compuestos este cambio de entalpa en
funcin de una determinada temperatura. Conviene aclarar que los elementos
estables si bien su entalpa de formacin es nula, a una temperatura distinta de
25C su entalpa total es diferente de cero.
298
~~~~~~hhhhhh Tff +=+=
( )=T
298p dTTC
~h
~
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Tanto hth~
,~
y h~
se expresan en:lbmol
BTU
Kmol
Kcal
Kmol
MJ,, .
Calor o entalpa de reaccin rph~
. Es el cambio de entalpa en una reaccin
estequiomtrica a condiciones de una 1 atm y 25C.
=
=
=
=
reactivosifiprodifirp
reactivosfiiR
productosifip
Rprp
hnhnh
hnH
hnH
HHh
~~
~
~
~
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Tabla 8. Entalpas de formacin de algunos compuestos
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45
Ejemplo. Determinar el calor o entalpa de reaccin o combustin de CH4.
Para ello planteamos la reaccin estequiomtrica, teniendo como comburente O2
puro, aunque si se considera aire el resultado no se afecta, debido a que a 25C y
1atm las entalpas de N2 y O2 son nulas.
Reaccin estequiomtrica: ( )l2224 OHCOO2CH ++
( ) ( )
( ) ( ) ( )
4
422
CHrp
rp
CHOHCOrp
KmolKJ890330h
~
KJ74850128583023935201h~
fh~
1fh~
2fh~
1h~
=
=
+=
De est manera se obtiene el calor de combustin de un combustible gaseoso
puro.
2O2
CH4
CO2
2H2Og
25C y 1 atm 25C y atm
hrp
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Poder calorfico y calor de reaccin. Conocido el calor de reaccin de un
combustible, el poder calorfico superior se define como:
KmolKJhPCS rp =
~
Para determinar el poder calorfico inferior se tienen las siguientes opciones:
OHOH 2fghnPCiPCS~
2+=
KmolKJfghnPCSPCi OHOH 2 =
~2
OHn 2 : coeficiente estequiomtrico del agua en los productos de
combustin.
fgh~
: Calor latente de vaporizacin molar del agua a 25C y 1 atm.
Determinar el calor de combustin asumiendo el H2O en los productos en
fase gaseosa.
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Ejemplo
Determinar el PCSy PCidel CH4
( )4CH
(l)2fp
KmolKJ890330890330PCS
OH,h~
PCS
==
=
Para el PCI
El calor latente de vaporizacin del H20 a:
OHfg
2Kmol
KJhatm1yC 4.43961~
25 =
( )
4
2
CH
OH
KmolKJ802310PCi
KmolKJ4.439612890330PCi
=
=
( ) ( )( ) ( ) ( )
4
4
42
CHrp
CHrp
rp
)g(2CH)g(COrp
KmolKJ802310h
~PCi
KmolKJ802310h
~
74850124182023935201h~
OHfh~
1fh~
2fh~
1h~
==
=
+=
+=
Determinacin del poder calorfico msico. Se define como relacin entre la
energa contenida por unidad msica de combustible, se obtiene as:
M
PCiPCi
M
PCSPCS MM ==
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Donde: PCSM y PCIM: poderes calorficos msicos superiores e inferiores
respectivamente en lbBTUKghkwKgKcalKgKJ ,.,,
M: peso molecular del combustible enKmol
Kg .
Ejemplo. Determinar el PCSM Y PCIM para el CH4
KgKJ9.50009
Kg
Kmol
Kmol
KJ
043.16
802310PCi
KgKJ5.55496
Kg
Kmol
Kmol
KJ
043.16
890330PCS
M
M
==
==
Determinacin del poder calorfico volumtrico. Se define como la relacin
entre la energa contenida por unidad volumtrica de combustible.
*V
PCiPCi
V
PCSPCS ==
*
PCS: poder calorfico superior volumtrico en .,.
,,3
*
3
*
3
*
3
* ft
BTU
m
hKw
m
KJ
m
MJ
PCI: poder calorfico inferior volumtrico en .,.
,,3*
3*
3*
3* ft
BTU
m
hKw
m
KJ
m
MJ
*V : volumen molar definido a condiciones normal o estndarlbmol
ft
Kmol
m
Kmol
m stnst 333,,
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Ejemplo: Determinar el PCS y PCI normal y estndar para el metano
Volumen normal:
Kmol
mV
K
KKmolbar
mbar
P
TRV
nn
n
nnn
3
3
4.22
273
..013.1
.08314.0
=
==
Volumen estndar:
KmolmV
V
stst
st
3
7.23
013.1
6.28808314.0
=
=
st
3
st
3
st
3
n3
n3
m
MJ60.37
m
KJ7.37566
Kmolm7.23
Kmol
KJ890330
PCS
m
MJ75.39
m
KJ9.39746
Kmol
KJ
4.22
890330PCS
===
===
st3
st3
st3
n3
n3
n3
mMJ8.33
mKJ7.33852
Kmol
m7.23
Kmol
KJ802310
PCi
m
MJ8.35
m
KJ4.35817
Kmol
m4.22
Kmol
KJ802310
PCi
===
===
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Determinacin del poder calorfico de una mezcla de gases combustibles. Si
se conoce la composicin molar o el volumen de una mezcla el poder calorfico
molar y volumtrico pueden ser determinado mediante las siguientes expresiones:
=
=
=
=
ii
ii
ii
ii
PCiyPCi
PCSyPCS
PCiyPCi
PCSyPCS
Donde:
yi: fraccin molar o volumtrica del componente i en la mezcla
ii PCiPCS , . Poderes calorficos molares superior e inferior respectivamente del
componente i en la mezcla.
ii PCiPCS , .Poder calorfico volumtrico superior e inferior respectivamente del
componente i en la mezcla.
Para determinar los poderes calorficos msicos se tienen las siguientes opciones:
Determinados los poderes calorficos molares, se calcula el peso molecular
de la mezcla, siguindose el siguiente procedimiento.
M
PCiPCi
M
PCSPCS
MyM
MM
ii
==
=
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Donde:
M: peso molecular de la mezcla
PCSM y PCiM: poderes calorficos msico superiores e inferiores
respectivamente de la mezcla
La composicin en volumen o molar se puede transformar en composicin
en masa, entonces:
MimiM
MimiM
PCiyPCi
PCSyPCS
=
=
ymi: fraccin en masa del componente i en la mezcla
Ejemplo. Determinar MMstst PCiPCSPCiPCSPCiPCS ,,,,, de una mezcla de gases
que tiene la siguiente composicin en volumen: 85%CH4, 10%C2H6 y 5%C02
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )( ) ( )
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) Kg/MJ76.431000/)21.474831595.048.500097236.0(PCi
Kg/MJ43.481000/)96.518731595.055496.48(0.7236PCS
m/MJ9415.3401.6110.080.3385.0PCi
m/MJ7645.3877.6610.060.3785.0PCSKmol/KJ4.824745142781910.080231085.0PCi
KJ/Kmol4.912765155984910.089033085.0PCS
Kmol/Kg8445.18)01.44(05.007.3010.0043.1685.0M
M
M
ST3
st
ST3
st
=+=
=+=
=+=
=+==+=
=+=
=++=
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Indice de Wobbe. Es la relacin entre el poder calorfico del gas y la raz
cuadrada de la densidad relativa de este. Para ello generalmente se toma el poder
calorfico superior, por tanto:
d
PCSW =
donde:
d: es la gravedad especifica del gas.
La gravedad o densidad especifica se define como la relacin entre la densidad
del gas y la del aire, medidas ambos a igual presin y temperatura; esto es:
TPa
TPgd,)
,)
=
Si el gas es ideal puede demostrarse que:
Ma
Mgd
TRP
TRPd
a
g ==/
/
Donde:
Mg: peso molecular del gas
Ma: peso molecular del aire
Para una mezcla de gases la gravedad especifica se define as:
iidydm =
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En la Tabla 9 se presenta la gravedad especifica para gases puros y en la Tabla
6.1 para los gases naturales de Colombia.
En la literatura inglesa es frecuente encontrar el poder calorfico usado para definir
el ndice de Wobbe como un promedio entre los poderes calorficos superior e
inferior. Si se usa como referencia el poder calorfico inferior, se tendr:
d
PCIW =
Para una mezcla de gases combustibles con composicin volumtrica conocida el
ndice Wobbe de la mezcla queda definido por:
ii
ii
dY
PCSYW
=
Tabla 9. Densidad relativa de los componentes puros
Componente Formula DMetano CH4 0.5538
Etano C2H6 1.038
Propano C3H8 1.5222Butano Normal C4H10 2.0064
Isobutano C4H10 2.0064
Pentano Normal C5H12 2.4853
Isopentano C5H12 2.4853
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Etileno C2H4 0.9684
Propileno C3H6 1.4526
Butileno C4H8 1.933
Acetileno C2H2 0.8975
Hidrogeno H2 0.0696
Monxido de C CO 0.9669
Tomado de: Estimaciones del grupo de C y T del Gas
En la ingeniera de combustin el ndice Wobbe es de gran utilidad en la
siguientes situaciones:
- Cuando se requiere sustituir un gas combustibles por otro, para tener la misma
rata calrica en el sistema de combustin, se debe garantizar que los ndices
de Wobbe de los gases sean iguales, es por ello que este ndice es uno de los
principales parmetros en la intercambiabilidad de los gases.
- Cuando se requiere estimar la energa disponible en la unidad de tiempo en un
gasoducto o red de distribucin, esta magnitud es directamente proporcional al
ndice de Wobbe.
Ejemplo
Determinar el ndice de Wobbe de una mezcla cuya composicin en volumen
es:
80% CH4, 10%C2H6 Y 10%CO2.
ST
COHCCH
COHCCH
mMJWDonde
dddPCSPCSPCSW
3/11.44
1.01.08.01.01.08.0
2624
2624
=
++++=
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Temperatura de llama adiabtica Es la mxima temperatura que alcanzan los
productos de combustin cuando esta se realiza en condiciones estequiomtrica yadiabtica y no ocurren reacciones de disociacin.
Si bien la temperatura adiabtica nunca se alcanza en una combustin real, esta
propiedad es de inters para propsitos comparativos e indicativos de ordenes de
magnitud, como tambin en el estudio de fenmenos trmicos en la llama.
Para estimarla se considera que una mezcla, combustible comburente entra a
una cmara de combustin a 1 atm y 25C, donde ocurre una reaccin
estequiomtrica sin prdida de calor a los alrededores, de tal forma que el calor
liberado calienta a los productos de combustin a una temperatura de salida, que
es la temperatura de llama adiabtica, entonces
CO2H2ON21
25C
CxHy
aire
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Tabla 10. Punto de ignicin, temperatura de llama adiabtica y limites deinflamabilidad para gases combustibles
lmites de
inflamabilidad % en
volumen de gas en
mezclas aire - gasNOMBRE
Punto de
Ignicin
(en aire)
C
Temperatura
De llama
Terica
( en aire) C inferior superior
METANO 632.0 1918.0 5.0 15.0
ETANO 472.0 1949.0 2.9 13.0
PROPANO 493.0 1967.0 2.0 9.5
BUTANO NORMAL 405.0 1973.0 1.8 8.5
ISOBUTANO 475.0 2240.0 1.5 9.0
PENTANO NORMAL 284.0 2232.0 1.4 8.3
ISOPENTANO 425.0 2235.0 1.3 8.0
ETILENO 490.0 2357.0 2.7 32.0
PROPILENO 557.0 2321.0 2.0 10.5
BUTILENO 443.0 2301.0 1.6 10.0ACETILENO 305.0 2632.0 2.5 81.0
HIDROGENO 572.0 2045.0 4.0 75.0
MONOXIDO CARBONO 609.0 1950.0 12.5 74.0
OXIGENO *** *** *** ***
NITROGENO *** *** *** ***
DIOXIDO CARBONO *** *** *** ***
SULFURO HIDROGENO 290.0 1815.0 4.3 45.5AIRE *** *** *** ***
Tomado de: Referencia bibliogrficas 1, 3, 4, 7.
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Temperatura de roco La combustin de hidrocarburos (CxHy) e Hidrgeno
produce vapor, el cual se encuentra como vapor en los productos de combustin.
La temperatura a la cual se inicia la condensacin del vapor de agua en losproductos de combustin se denomina temperatura de rocio.
Cuando se conoce la combustin estequiomtrica de un CxHy y el H2 y la presin a
la cual ocurre, es posible determinar la temperatura de rocio.
Ejemplo: Determinar la temperatura de rocio del CH4 a la presin estndar
===
++++
52.10
21013
52.7252.72
2
22
2
222224
mbrPP
P
Vf
Vy
NOHCONOCH
OH
st
OHOH
OH
mbrP OH 6.1922 = es la presin parcial en la mezcla de gases de
combustin.
Con la mbrP OH 6.1922 = de las propiedades del vapor del H20, le corresponde
una temperatura de saturacin de 59.2C que es la temperatura de rocio.
Otra opcin es considerar que entre 50C y 150C, la siguiente expresin es
vlida para expresar la temperatura de saturacin en funcin de la presin parcial
de agua:
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59
67.231
140974
Pln
5.3928T
OH
R
2
=
Donde:
TR: temperatura de saturacin o rocio en C
OHP 2 : presin parcial del vapor de H2O en bar
Si la presin absoluta es menor que la estndar la temperatura de rocio se
disminuye, un caso de inters es cuando la combustin se realiza en sitios a gran
altura sobre el nivel, en Tabla 11 se presenta la temperatura de rocio a diferentes
altitudes para el metano.
Tabla 11. Efecto de la altitud sobre la temperatura de rocio
ALTITUD P atm (bar) TR (C)
0 1.013 59.26
1500 0.852 55.57
2000 0.805 54.39
2600 0.752 52.97
Fuente: Clculos del Grupo de C y T del Gas
Otro factor que afecta la temperatura de rocio es el exceso de aire, situacin que
ser examinada mas adelante.
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En procesos industriales, comerciales y residenciales donde se utilizan
combustibles gaseosos, la temperatura de rocio tiene la siguiente importancia:
Cuando se requiere evitar la condensacin en los conductos de evacuacin
de humos, para prevenir el deterioro de los materiales constitutivos de estos
por causa de la humedad.
Cuando se requiera implementar sistemas de combustin con
condensacin, donde se necesita provocar la condensacin del vapor de
agua al interior del aparato, para aprovechar el calor latente de vaporizacin
y mejorar la eficiencia de combustin.
3.7 Parmetros de un sistema de combustion
Por sistema de combustin entenderemos todo equipo o artefacto donde al
suministrarse un combustible y aire ocurre una combustin y la energa trmica
liberada puede usarse directamente o transformarse a otra forma, en este contextoestamos haciendo referencia a un quemador atmosfrico, una caldera, un horno y
una mquina trmica.
Los parmetros bsicos para el diseo y ajuste de todo sistema de combustin
son:
Potencia trmica. Es la cantidad de energa por unidad de tiempo quese suministra con el combustible, dependiendo de si se define en
funcin del poder calorfico superior, del poder calorfico inferior, msico
o volumtrico, se tienen las siguientes expresiones:
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MTT
MTT
PCimPPCiQP
PCSmPPCSQP
&
&
==
==
**
**
Factor de aireacin. Es la relacin entre las cantidades de aire y
combustible usados en un proceso real de combustin comparadas con
la relacin estequiomtrica. Dependiendo de si las relaciones se
expresan en trminos volumtricos o msico, se tienen las siguientes
expresiones:
( ) aM
a
a
*g
a
m
R
mgm
mn
VaR
VaQQn
==
==
&
&
n: factor de aireacin
Qa*: caudal de aire usado, normal o estndar,
h
m3*
Qg*: caudal de gas combustible suministrado, normal o estndar, hm3*
Va: volumen estequiomtrico de aire,gas
aire
m
m3*
3*
am& : flujo msico de aire usadoh
Kgaire
gm& : flujo msico de gas,h
Kgaire
ma: masa estequiomtrica de airegas
aire
KgKg
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Si la combustin es estequiomtrica 1== nVR a
Si la combustin es con exceso de aire 1>> nVR a
El porcentaje de exceso de aire: )1(100% = ne
Si la combustin es con defecto de aire 1nVR a 1 mezcla rica en combustible
Si < 1 mezcla pobre
3.8 Incidencia del exceso de aire sobre algunas propiedades de combustion
Incidencia sobre la cantidad de humos hmedos y secos. El exceso de aire
incrementa la cantidad de humus hmedos, como puede concluirse de la siguiente
expresin para una combustin completa con exceso de aire:
ahsah
ahsah
mnmfmmnmfm
VnVfVVnVfV
)1()1(
)1()1(
+=+=
+=+=
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Obsrvese que si la combustin es estequiomtrica, el volumen de humos
hmedo es igual al poder fumgeno hmedo del combustible, igual ocurre con la
masa de humo hmedo.
Como consecuencia del aumento del volumen de humus secos, el porcentaje de
CO2 disminuye, como puede observarse en la siguiente expresin;
oshumus
CO
COV
V
sec
2
2=
Como ya se demostr, el mximo porcentaje de CO2 en la combustin de un
hidrocarburo se obtiene cuando esta es estequiomtrica.
Temperatura de roco. El exceso de aire disminuye la temperatura de rocio,
debido a que la presin parcial del H2O disminuye como consecuencia del
incremento del volumen de gases hmedo, tenindose ahora la siguiente
expresin para la presin parcial del agua:
af
OH
OHVnV
VP
)1('2
2 +=
En la Tabla 12 se presenta el efecto del exceso del aire sobre la temperatura de
rocio para varios gases combustibles puros y algunos gases naturales a una
presin de 1013 mbr.
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Tabla 12. Temperatura de roco como funcin del factor de aireacin (C)
Gas n = 1 n = 1.1 n = 1.4 n = 1.8 n = 2.5CH4 59.3 57.4 52.8 47.98 41.7
C2H6 56.3 54.4 49.8 45.1 39.1
C3H8 54.3 53.1 48.5 43.8 37.8
H2 72.8 70.98 66.2 61.3 54.9
Guajira 59.09 57.2 52.6 47.8 41.8
Cusiana 57.9 56.1 51.5 46.7 40.7
Fuente: Clculos del Grupo de Ciencia y Tecnologa del gas.
Temperatura de llama. El exceso de aire disminuye la temperatura de llama,
ello se explica porque ahora se tendr mayor masa de productos a calentar.
Ejemplo. Encontrar la temperatura de llama para el CH4, cuando se tengan
factores de aireacin de 1.5 y 2.5.
Reaccin para n = 1.5, suponiendo combustin completa y no disociacin:
2222224 29.11229.11)2(5.1 NOOHCONOCH +++++
Reaccin para n = 2, suponiendo combustin competa y no disociacin:
2222224 04.152204.15)2(2 NOOHCONOCH +++++
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Al aplicar Hp = HR, debido a que el proceso es adiabtico, se tiene
[ ] [ ] [ ]422224
4222222
~1
~208.30
~~2
~~)1(
~1
~~56.22
~~2
~~)1(
2 CHOOHOHCOCH
CHONOHOHCOCO
fhhNhfhhfh
fhhhhfhhfh
=+++++
=+++++
Los valores de temperatura que satisfacen estas dos ecuaciones cuando se
realizan las iteraciones para los factores de aireacin 1.5 y 2 son 1789.24 C y
1480.96 C respectivamente.
4. Ejercicios Propuestos
1. Para una mezcla 50% CH4 y 50% C3H8, cuando se quemen con factores de
aireacin de 1, 1.3 y 1.5. Encontrar:1.1 La temperatura de llama adiabtica, si el comburente es O2 puro.
1.2 La temperatura de llama adiabtica, si el comburente es aire
1.3 La temperatura de roco.
1.4 Analizar el efecto del exceso de aire sobre estas propiedades.
2. Aire a 80% de humedad relativa y temperatura de bulbo seco de 32C, se
utiliza en un sistema de combustin del CH4, encontrar:
2.1 La ecuacin estequiomtrica de la reaccin.
2.2 La temperatura de roco de CH4 en estas condiciones.
2.3 Analizar la incidencia de la humedad en la temperatura de roco.
3. Ubicar en el intervalo de inflamabilidad el valor de la mezcla estequiomtrica
para los siguientes gases: CH4, C2H6, C4H10, C3H8, CO y H2.
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4. Si se supone que los parmetros de flujo (presin, temperatura) y los factores
que afectan la restriccin al flujo (viscosidad, rugosidad, longitud y dimetro detubera) permanecen inalterables, analizar la disponibilidad energtica en la
unidad de tiempo, cuando en una red de distribucin se sustituye gas de la
Guajira por el de Cusiana.
5. Si se suponen que los parmetros de flujo (presin menor de 100 mbr y
temperatura) y los factores que afectan la restriccin del flujo (configuracin
geomtrica y dimetro del inyector) permanecen inalterables, comparar la
potencia trmica cuando en un quemador se sustituye gas natural de la Guajira
por Propano comercial. (60% C3H8 y 40% C4H10)
6. Desde el punto de vista de la facilidad para iniciar la combustin en una mezcla
de aire gas, examinar la relacin entre el intervalo de inflamabilidad y energa
de ignicin.
7. Un Diesel para caldera (Fuel Oil N. 2) tiene la siguiente composicin en baseseca, en porcentaje en masa:
C = 85.6%, H = 12%, S = 2.2%, Impurezas = 0.2%
7.1 Encontrar la relacin estequiomtrica aire combustible en:
7.2 Volumen y masa de humus hmedo en:
7.3 Porcentaje mximo de CO2 en humus seco.
ecombustibl
aire
Kg
Kg
ecombustibl
aire
Kg
stm3
ecombustibl
aire
galn
stm3
ecombustibl
humus
galn
stm3
ecombustibl
humus
Kg
Kg
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Densidad relativa.
Indice Wobbe.
Temperatura de ignicin. Intervalos de inflamabilidad.
Temperatura de roco.
Tenga en cuenta los siguientes criterios: seguridad, potencia disponible,
posibilidades de combustin y eficiencia.
12. Si se dispone de una corriente de gases de combustin del gas natural deGuajira con un flujo msico de 0.5038 Kg/s y una composicin molar de O2 de
18%. Para garantizar una combustin estequiomtrica, suponiendo que las
condiciones aerodinmicas de la cmara garantizan un correcto mezclado
entre el gas natural y los productos de combustin. Cul ser la potencia
trmica obtenible en este sistema de poscombustin que utiliza como
comburente el oxigeno obtenido en los gases de combustin?
13. Un biogas obtenido en un biodigestor tiene la siguiente composicin en
volumen: 35% CO2 y 65% CH4. determinar las siguientes propiedades de
combustin:
13.1 Volumen standard y masa estequiomtrica de aire.
13.2 Volumen standard y masa de humos hmedos.
13.3 Porcentaje mximo de CO2
13.4 PCSV, st , PCIV, st , PCSm , PCIm
13.5 Indice de Wobbe
13.6 Temperatura de roco.
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14. A continuacin se describe una situacin, teniendo en cuenta sus implicaciones
usted debe sealar las aseveraciones correctas.
14.1 Cuando se tiene una mezcla estequiomtrica de aire y un
hidrocarburo gaseoso, se cumple que:
La energa de ignicin es mnima.
La temperatura de llama adiabtica es mxima.
La relacin entre el Vco2 y el Vhumos secos es mxima.
La temperatura de roco es mxima.
14.2 Se tiene inicialmente una mezcla de CH4 + C3H8, si se adiciona
CO2, entonces:
El poder calorfico superior volumtrico aumenta.
El poder calorfico inferior msico disminuye.
El lmite superior de inflamabilidad aumenta.
El lmite inferior de inflamabilidad disminuye
El volumen de humos hmedo disminuye
14.3 El intervalo de inflamabilidad del H2 es de 4 - 75, la temperatura de
ignicin es de 572C y el volumen estequiomtrico es de 2.38, entonces:
Si en una mezcla H2 + aire la temperatura es de 572C, y el porcentaje
de H2 en volumen es de 80, ocurrir combustin.
Si en una mezcla de H2 + aire, la temperatura es de 562 y el
porcentaje de aire es 25%, no ocurrir combustin
Si en una mezcla de H2 + aire, la temperatura es de 572C, y elporcentaje de aire es de 50%, si ocurrir combustin.
Cuando la composicin de H2 + aire, corresponde al lmite inferior de
inflamabilidad el factor de aireacin es mayor que uno.
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14.4 El gas de guajira tiene una temperatura de roco de 59.69 C cuando
la mezcla es con aire estequiomtrica.
Si en una chimenea de un calentador de agua los productos decombustin se enfran a 50C, se presenta condensacin.
Si se enfran a 70C no habr condensacin.
Si la mezcla se realiza con un exceso de aire y los gases se enfran a
59.09, puede asegurarse que no habr condensacin.
14.5 El volumen estequiomtrico del gas de guajira es de 9.44mt3st aire /
mt3stgas, entonces la cantidad de aire necesario para tener una
combustin estequiomtrica en Medelln es:
8521013
*44.9
1013852
*44.9
44.9
14.6 Cuando se comparan gases de la segunda y la tercera familia, seencuentra:
Los gases de segunda familia tienen menor ndice de Wobbe
El PCS y PCI de los gases de tercera familia son mayores.
Los gases de segunda familia son mas pesados.
Los gases de segunda familia requieren mayor volumen estequiomtrico
de aire.
Los gases de tercera familia son perfectamente intercambiables con los
gases de segunda familia
14.7 La combustin estequiomtrica del CH4, produce 1 mt3st de CO2 y
10.52 mt3st de humos hmedos. Si los productos de combustin se
descargan en un recinto, al monitorear el aire se encuentra 1% CO2,
entonces:
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El contenido de O2, en el aire viciado es de 21%
El contenido de O2 en el aire viciado es de 1%.
El contenido de O2, en el aire viciado es de 18.78%
14.8 Si almacena gas natural de la guajira (PCS = 53.92 MJ/Kg, d =
0.567), en un cilindro de 2 mt3 a una presin de 200 bar y 30 C, en iguales
condiciones se almacena H2 (PCS = 39.4 Kwh/Kg , d = 0.069), entonces:
El cilindro que contiene H2 tiene menos masa.
En el cilindro que contiene gas natural existir mayor cantidad de
energa.
En el cilindro que contiene H2 existir mayor cantidad de energa.
Ambos cilindros tienen igual cantidad de energa.
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BIBLIOGRAFIA
1. Curso: Internacional sobre la utilizacin domestica de los
combustibles gaseosos. Gas de France, Univer
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