Universidad del tachira



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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL DEL TACHIRA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA

NÚCLEO DE TERMOFLUIDOS

TERMODINÁMICA II



GUIA No. 4: COMBUSTION


Elaborada y/o recopilada por: Ing. Rubén Arévalo


  1. Se quema butano con aire y una análisis volumétrico de los productos de la combustión en base seca arroja la siguiente composición: CO2: 7.8%; CO: 1.1%; O2: 8.2%; N2: 82.9%. Determine el porcentaje de aire teórico usado en este proceso de combustión.

  2. Se quema un combustible hidrocarburo con aire y se obtiene el siguiente análisis volumétrico en base seca: CO2: 10.5%; O2: 5.3%; N2: 84.2%. Determine la composición del combustible en base másica y el porcentaje de aire teórico utilizado en el proceso de combustión.

  3. Se quema octano con el aire teórico en un proceso a presión constante (P=100 kPa) y los productos se enfrían hasta 25°C.

  1. ¿Cuántos kilogramos de agua condensan por kilogramo de combustible quemado?

  2. Suponga que el aire usado para la combustión tiene una humedad relativa de 90% y que está a una temperatura de 25°C y 100 kPa de presión. ¿Cuántos kilogramos de agua condensarán por kilogramo de combustible cuando los productos son enfriados hasta 25°C?

  1. El gas caliente que sale de un motor de combustión interna es analizado y se encuentra que tiene la siguiente composición en base volumétrica: CO2: 10%; H2O: 13%; CO: 2%; O2: 3%; N2: 72%. Este gas va a ser alimentado a un “reactor de gas” y mezclado con una cierta cantidad de aire para eliminar el CO. Se decidió que una fracción molar de O2 de 10% en la mezcla que sale del reactor asegurará la eliminación total del CO. ¿Cuál debe ser la relación de flujos que entran al reactor en kmolaire/kmolgas?

  2. Un motor de combustión interna quema octano líquido y usa 125% de aire teórico. El aire y el combustible entran a 25°C y los productos salen a 900K. En la máquina el 85% del carbón se transforma en CO2 y el resto en CO. La transferencia de calor desde esta máquina es igual al trabajo que produce. Determine:

  1. La potencia de salida del motor si quema 0.005 kgcomb/s.

  2. La composición y la temperatura de rocío de los productos de la combustión si la presión de descarga de los gases es 100 kPa.

  1. Un gas natural consistente de 80% de metano y 20% de etano (en base volumétrica) se quema con 150% del aire teórico en un proceso de EEFE. Se transfiere calor desde los productos de combustión hasta que éstos alcanzan una temperatura de 700 K. El combustible entra a la cámara de combutión a 25°C y el aire a 400K. Determine la transferencia de calor por kmol de combustible.

  2. Un recipiente rígido está cargado con 1 kmol de CO y 2 kmol de O2. La presión total es 0.1 MPa y la temperatura es 298K antes de la combustión. La combustión ocurre y los productos se enfrían hasta 1300K. Asuma combustión completa. Determine:

  1. La presión final (note que el número de moles cambia durante la combustión).

  2. La transferencia de calor.

  1. Octano líquido entra a la cámara de combustión de una turbina de gas a 25°C y el aire entra, proveniente del compresor, a 500K. Se determina que el 98% del carbón del combustible se quema y forma CO2 y el restante 2% se quema y forma CO. ¿Qué cantidad de aire en exceso será requerida si la temperatura de los productos está limitada a 1100K?

  2. Propano gaseoso a 25°C se mezcla con aire a 400K y se quema con 300% del aire teórico. ¿Cuál es la temperatura de flama adiabática?

  3. Propano gaseoso a 25°C se mezcla con aire a 400K y se quema. ¿Qué porcentaje de aire teórico debe ser usado si la temperatura de los productos es 1200K? Asuma un proceso adiabático y combustión completa.

  4. Un gas natural formado por 60.1% de metano, 14.8% de etano, 13.4% de propano, 4.2% de butano y 7.5% de nitrógeno se quema con 150% de aire teórico. Calcula la temperatura de flama adiabática para combustión completa, si la temperatura de los reactantes es 25°C.

  5. Propano gaseoso a 25°C reacciona con aire húmedo a 400 K en un proceso de EEFE. El proceso de combustión es adiabático y la temperatura de salida de los gases es 1200K. Se analiza una muestra de los productos y se encuentra que tiene una temperatura de rocío de 70°C. Determine el porcentaje de aire teórico usado y la humedad relativa del aire. Asuma combustión completa y que la presión es 100 kPa a través del proceso.

  6. Una mezcla de 20% de metano y 80% de etano en base molar se estrangula desde 65°C, 10 MPa hasta 100 kPa y se alimenta a una cámara de combustión donde experimenta combustión completa con aire, el cual entra a 400 K, 100 kPa. La cantidad de aire es tal que los productos de combustión salen a 1200K, 100 kPa. Asumiendo que el proceso de combustión es adiabático y que todos los componentes se comportan como gases ideales excepto el combustible, el cual se comporta de acuerdo a la regla de Kay, determine:

  1. El porcentaje de aire teórico requerido.

  2. La temperatura de rocío de los productos.

  1. Determine la entalpía de combustión a 25°C de un gas natural cuya composición es 54.3% de metano, 16.3% de etano, 16.2% de propano, 7.4% de butano y 5.8% de nitrógeno, considerando que los productos incluyen:

  1. Vapor de agua.

  2. Agua líquida.

  1. Un kmol de carbón a 25°C, 0.1 MPa y 2 kmol de O2 a 400K, 0.1 MPa, entran a una cámara de combustión y los productos salen a 1400K, 0.1 MPa. Asumiendo combustión completa y un proceso de EEFE, determine:

  1. La transferencia de calor por kmol de combustible.

  2. El cambio neto de entropía para el proceso, si el calor es transferido hacia los alrededores a 25°C.

  1. Los siguientes datos fueron tomados en una cámara de combustión de una turbina de gas:

  • COMBUSTIBLE: C4H10 (g) a 25°C, 0.1 MPa

  • AIRE: 300% del aire teórico a 25°C, 0.1 MPa

  • VELOCIDAD DE ENTRADA DEL AIRE: 70 m/s

  • VELOCIDAD DE SALIDA DE LOS PRODUCTOS: 700 m/s

  • TEMPERATURA Y PRESION DE LOS PRODUCTOS: 900K, 0.1 MPa

Asumiendo combustión completa, determine:

  1. La transferencia de calor por kmol de combustible.

  2. El cambio neto de entropía por kmol de combustible.

  1. Un pequeño motor de gasolina enfriado con aire tiene una potencia de salida de 1 kW. La temperatura de los productos es 660K. Un análisis volumétrico de los productos arroja los siguientes resultados: CO2, 11.4%; O2, 1.6%; CO, 2.9%; N2, 84.1%. El combustible usado puede ser considerado como C8H18 y el aire y el combustible entran a la máquina a 25°C. El flujo másico de combustible es 0.00015 kg/s.

  1. Determine la velocidad de transferencia de calor desde la máquina.

  2. ¿Cuál es la eficiencia de la máquina?

  1. Considere el proceso de combustión del problema 10, en el cual propano a 25°C se quema con aire a 400K y la temperatura de los productos es 1200K. Dados estos mismos estados, asuma que la combustión tiene una eficiencia de 90% y que el 95% del carbón en el propano se quema para formar CO2 y 5% se quema para forma CO. ¿Cuál es la transferencia de calor desde la cámara de combustión para este proceso?

  2. Una mezcla gaseosa de 30% de propano y 70% de butano (en base molar) a 25°C se quema con aire húmedo a 400 K y un 7% de humedad relativa en un proceso de EEFE. Durante la combustión, un 85% del carbón se transforma en dióxido de carbono y el resto en monóxido de carbono. Si la temperatura de los productos está limitada a 1000 K y todo el proceso se desarrolla a una presión de 100 kPa, determine:

  1. El exceso de aire utilizado.

  2. La temperatura de rocío de los productos.

  3. El cambio neto de entropía.

  4. Se puede verificar que para es mismo proceso, pero considerando combustión completa, el porcentaje de aire teórico requerido es 350%. ¿Cuál es la eficiencia del proceso de combustión?

  1. Determine el poder calorífico inferior de la gasolina, C8H18, a la temperatura de 25°C, en kJ/kg.

  2. Acetileno gaseoso, C2H2, a 25°C, se quema con 50% de exceso de aire a 100 kPa, 25°C y 60% de humedad relativa. Determine la temperatura de flama adiabática.

  3. Un motor de gasolina se ha convertido para que trabaje con propano gaseoso (C3H8), como se muestra en la figura anexa. Asuma que el propano entra a la máquina a 25°C y a una relación de 40 kg/h. Se utiliza sólo el 90% del aire teórico a 25°C, por lo cual una parte del hidrógeno del combustible no se oxida y aparece en los productos como H2. Además, sólo el 90% del carbono del combustible se transforma en dióxido de carbono y el 10% restante forma monóxido de carbono. Los productos de la combustión salen por el tubo de escape a 1000K. La pérdida de calor del motor es de 120 kW y puede considerar que el sumidero que recibe esta energía tiene una temperatura promedio de 50°C. Todo el proceso se realiza a una presión de 100 kPa.

  1. ¿Cuál es la potencia de salida del motor?

  2. ¿Cuál es su eficiencia térmica?

  3. Determine el cambio neto de entropía para el proceso, en kJ/kgCOMBK.



RESULTADOS


1. 152.92%

2. 82.69% de C y 17.31% de H; 131%

3. 1.1655 kgAGUA/kgCOMB; 1.411 kgAGUA/kgCOMB

4. 0.7176 kmolAIRE/kmolGAS

5. 69.66 kW; 8.56%CO2; 1.51%CO; 11.32%H2O; 73.92%N2; 4.69%O2; 47.96°C

6. -754685.74 kJ/kmolCOMB

7. 363.54 kPa; -202394.43 kJ

8. 320%


9. 1239.36K

10. 317%


11. 1806K

12. 220%; 10.7%

13. 314%; 34.92°C

14. 1196135.59 kJ/kmolCOMB; -1310253.52 kJ/kmolCOMB

15. -306705 kJ/kmolCOMB; 1151.028 kJ/K

16. -185321.43 kJ/kmolCOMB; 4263.92 kJ/kmolCOMBK

17. -4.08 kW; 13.92%

18. -149539.6 kJ

19. 227%; 61°C; 3821.73 kJ/kmolCOMBK; 93.28%

20. 44424.32 kJ/kg



21. 2146.17 K

22. 189.94 kW; 61.29%; 60.63 kJ/kmolCOMBK

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