Introduccion a La Combustion

5/9/2018 Introduccion a La Combustion - slidepdf.com

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INTRODUCCION A LA COMBUSTION

IMPORTANCIA DEL TEMA

A) Lugar de la combustión dentro de la ingeniería:

y Producción de energía: Se tienen combustibles en forma líquida, solida o gaseosa, un

claro ejemplo es el carbón utilizado para generar vapor en las turbinas de las centrales

eléctricas, el petróleo utilizado para el funcionamiento de vehículos, aviones o barcos

y el gas empleado en turbinas de gas, motores reciprocantes y generación de vapor.

y Industria de la transformación: La energía por combustión es muy utilizada en la

actualidad para la producción de:

Hierro, acero, metales no ferrosos

Fabricación de vidrio, cerámica

En el proceso y obtención de cemento

En la obtención de combustibles refinados y derivados de los hidrocarburos.

y Calefacción domestica o

Industrial:

Es necesaria la energía de combustión para

encender hogueras, calderos que puedan mantener en funcionamiento sistemas de

calefacción

y Crisis de energía: Las reservas mundiales disminuyen, especialmente para

combustibles de fácil combustión, si se pudiera quemar el combustóleo pesado se

aliviaría la crisis de la demanda de combustibles, por lo que existe una deficiencia en la

tecnología de combustión.

y Combustión Indeseable: Se refiere a la combustión de bosques, edificios, vestidos que

pueden ser combustibles potenciales, los ingenieros en prevención prestan mucha

atención a que ello no ocurra.

B) Pronostico del uso de la energía:

Como se puede apreciar en las tablas de Spallding la energía utilizada por medio del proceso

de combustión es la más utilizada en la actualidad y muy posiblemente lo seguirá siendo en los

años próximos.

C) Motivos que originan el interés del ingeniero en el proceso de combustión:

y Búsqueda de la eficiencia en combustión: No todo el combustible se quema y se

descarga a la atmosfera combustible, el cual cuesta y no se lo puede derrochar,

además de que los residuos del combustible son tóxicos, los diseñadores por ello

tienen un motivo para que la combustión tenga una eficiencia cercana al 100%

y Reducción de costos: Se intenta reducir los costos en el combustible, equipos que en

la actualidad son caros, los costos pueden ser de dos tipos, costos de inversión y

costos continuos, los costos de inversión tienen que ver con la combustión en la que la

reacción química sea completa en un pequeño espacio, los costos continuos tienen

que ver con disminuir la caída de presión en el dispositivo.

y Temperatura y control de composición: Son requerimientos adicionales en cuanto a

que los productos de combustión alcancen una temperatura, los productos de



combustión deben provocar transformaciones físicas o químicas en otro material

como termo tratamientos.

Se debe predecir la temperatura y composición del producto de combustible y

mantenerlos bajo control.

D) Algunas características especiales dentro de la ingeniería:

y Carácter multidisciplinario: Un ingeniero para comprender el funcionamiento de

compresores, bombas, turbinas necesita conocer las leyes de la termodinámica y

mecánica de fluidos. Para comprender la transferencia de calor es necesario conocer

de la termodinámica, mecánica de fluidos, leyes de conducción, radiación,

propiedades térmicas de los materiales, procesos de transferencia de masa. Para

poder comprender la combustión se debe comprender el flujo de los fluidos como es

el aire donde se produce la combustión, transferencia de calor, leyes de

transformaciones químicas así como sus velocidades y efectos.

ESTRUCTURA DEL TEMA DE LA COMBUSTION

A) Clasificación de niveles:

Practica de la ingeniería: temas vinculados a equipos, descripción, forma de operación,

características deseables e indeseables.

Modelo Matemático: Tiene que ver con las partes de interés inmediato, para los

propósitos buscados, el modelo matemático busca realizar predicciones cuantitativas

por medio del uso de ecuaciones diferenciales y algebraicas idealizadas, a esencia de

iteraciones entre características de diseño y operación. Se emplean leyes

fundamentales de la física y la química

Ciencia Básica: La combustión es influida por las leyes de la naturaleza dentro del

conocimiento humano en títulos como son la termodinámica, mecánica de fluidos,transferencia de calor y de masa, cinética química: otra clasificación es: leyes de

conservación, leyes de transferencia, leyes fundamentales.

B) Algunas características de la practica actual de la ingeniería:

Son algunos comentarios:

Equipos en régimen de flujo permanente

Procesos que varían significativamente en función del tiempo como se da con la

gasolina y el gasóleo.

C) Algunos modelos matemáticos:

Partícula de carbón aislada, ardiendo en el aire inmóvil: se analiza la difusión del

oxigeno, conducción y radiación de calor así como la cinética química relacionada conla velocidad y tiempo de quemado.

La gota aislada de combustible líquido, ardiendo en el aire inmóvil: En este modelo la

cinética química tiene poca importancia.

Propulsión de líquido unidireccional para cohetes: Las gotas interactúan en una

corriente gaseosa, las ecuaciones diferenciales ordinarias de solución analítica son

empleadas, los procesos son relacionados con la combustión de gotas.



Llama de difusión turbulenta: o antorchas de gas en las que matemáticamente las

ecuaciones diferenciales son parciales y se resuelven analíticamente.

Reactor idealmente agitado: Interactúa el caudal de administración de combustible

con velocidad de reacción química, solo requiere ecuaciones algebraicas.

La llama estabilizada mediante deflectores: tiene obstáculos que debido a su forma

crean regiones de recirculación de gas combustible.

Ignición por chispa: Utiliza ecuaciones diferenciales parabólicas que requieren empleo

de computadoras para una solución exacta, también se pueden plantear soluciones

aproximadas.

D) Ciencias básica:

y Termodinámica: Se la emplea de una manera sencilla, el Cp es independiente de la

temperatura, el equilibrio se da cuando uno de los 2 participantes se consume por

completo, se determina el aumento de temperatura conforme a la cantidad decombustible consumido.

y Mecánica de Fluidos: Ecuación del modelo de la capa límite es necesario conocer

como los efectos de inercia y viscosidad a diferentes temperaturas, igualmente es

necesario conocer las turbulencias.

y Transferencia de Calor: Las reacciones químicas son lentas a bajas temperaturas, por

eso es necesaria la temperatura de los gases ya han reaccionado, se necesita conocer

la conducción, convección y radiación, la velocidad de transferencia de calor es

proporcional a la temperatura, la temperatura es mayor en el seno de la llama, se

utiliza las leyes de Fourier, transferencia por conducción para la evaporación.

y Transferencia de masa: Describe la mayoría de conceptos fundamentales, se asemejaa la transferencia de calor en la que la conducción es similar a la transferencia de

masa.

y Cinética Química: Las velocidades de procesos de ruptura y recombinación dependen

de la temperatura y presión, la composición se considera gaseosa.

ALGUNAS TENDENCIAS EN LA PRÁCTICA DE LA INGENIERÍA

A) Tendencias en la práctica de la ingeniería:

y Métodos Computacionales: Se han iniciado desde 1960, se requieren muchas

investigaciones para el motor diesel por debido a que las dimensiones de 3D de

contorno varían con el tiempo, el estado es no permanente, presencia dos bases

combustible líquido, aire gaseoso, y producto de combustión, existen turbulencias,

existen reacciones químicas múltiples, las transferencia de calor se da por radiación y

convección a las paredes.

y Validación: Es la diferencia entre el método predictivo y observaciones experimentales



y Utilización: En los modelos no hay uso generalizado por: no hay personal técnico

entrenado en el empleo de modelos en general y los usuarios y diseñadores deben

cumplir tareas en las cuales el fracaso es inadmisible.

y Tendencias de ciencias básicas:

Mecánica de fluidos: Se consideran turbulencias, viscosidad efectiva y la

velocidad de reacciones químicas

Transferencia de Calor: Se considera la radiación, distribución angular, y la

longitud de onda.

Cinética química: La cantidad de especies químicas actuantes es grande, se

tiene datos de cinética química para algunos elementos.

y Matemática Numérica: Los métodos requieren de largas horas de adaptación para ser

de utilidad.

APLICACIÓN DE LA COMBUSTIÓN A LA INGENIERÍA

ALGUNOS PROBLEMAS DE COMBUSTIÓN OBSERVADOS EN LA INGENIERÍA.

y Motor a gasolina: Antes controlar el golpeteo era el problema dado en los motores, ya

que la eficiencia es directamente proporcional a la alta relación de compresión, se

introdujeron mejoras en el diseño y aditivos para soluciona el golpeteo, pero hoy en

día se tienen problemas de contaminación, se trata de alcanzar una combustión

completa que no produzca elementos venenosos.

y Motor a Diesel: En este caso se trata de utilizar aditivos para promover la ignición, y

así aumentar la potencia sin producir humo para ello se requiere una mejor

comprensión y control del proceso de combustión.

y Motor Turbina a gas: En estos se genera humo pero este se libera a moyor altura, se

deben hacer mejoras en la cámara de combustión para una menor caída de presión y

por lo tanto una mayor eficiencia.

y Hornos: En estos se necesita del humo para mayores flujos de calor radiante, el humo

debe consumirse antes de abandonar el horno, igual se buscan mejoras para eliminar

el ruido.

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