Termodinamica - Yunes Cengel y Michael Boles - Septima Edicion

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CAPÍTULO 15
La temperatura de flama adiabática de un proceso de combustión de flujo
estacionario se determina de la ecuación 15-11 al establecer Q 0 y W 0.
Esto produce
H prod
H react
(15-16)
o
N p h° f h h° p N r h° f h h° r
(15-17)
Una vez que se especifican los reactivos y sus estados, resulta fácil determinar
la entalpía de los reactivos H react . Sin embargo, debido a que la temperatura
de los productos no se conoce antes de los cálculos, el cálculo de la
entalpía de los productos H prod no es directo. Por consiguiente, la determinación
de la temperatura de flama adiabática requiere el uso de una técnica
iterativa, a menos que se disponga de ecuaciones para los cambios de entalpía
sensible de los productos de combustión. Se supone una temperatura para
los gases producto, y la H prod se determina para esta temperatura. Si ésta no
es igual a H react , los cálculos se repiten con otra temperatura. La temperatura
de flama adiabática se determina luego a partir de estos dos resultados
mediante interpolación. Cuando el oxidante es aire, los gases producto se
componen principalmente de N 2 y una buena primera suposición para la
temperatura de flama adiabática se obtiene tratando todos los gases producto
como N 2 .
En las cámaras de combustión, la temperatura más alta a la que un material
puede exponerse está limitada por consideraciones metalúrgicas. Por consiguiente,
la temperatura de flama adiabática es una consideración importante
en el diseño de las cámaras de combustión, de las turbinas de gas y de toberas.
Sin embargo, las máximas temperaturas de estos dispositivos son bastante
menores que la temperatura de flama adiabática, puesto que la combustión
suele ser incompleta, se presentan algunas pérdidas de calor y algunos gases
de combustión se disocian a altas temperaturas (Fig. 15-26). La temperatura
máxima en una cámara de combustión puede controlarse ajustando la cantidad
de exceso de aire, que sirve como refrigerante.
Note que la temperatura de flama adiabática de un combustible no es
única. Su valor depende de: 1) el estado de los reactivos, 2) el grado al que
se completa la reacción y 3) la cantidad de aire utilizado. Para un combustible
especificado a un estado especificado que se quema con aire a un estado
especificado, la temperatura de flama adiabática alcanza su valor máximo
cuando sucede la combustión completa con la cantidad teórica de aire.
Combustible
Aire
Pérdida de calor
• Combustión
incompleta
• Disociación
Productos
T prod < T máx
FIGURA 15-26
La temperatura máxima encontrada en
una cámara de combustión es menor
que la temperatura de flama adiabática
teórica.
EJEMPLO 15-8 Temperatura de flama adiabática
en combustión estacionaria
A la cámara de combustión de una turbina de gas entra octano líquido (C 8 H 18 )
de manera estacionaria a 1 atm y 25 °C, y se quema con aire que entra a la
cámara en el mismo estado, como se ilustra en la figura 15-27. Determine
la temperatura de flama adiabática para a) una combustión completa con 100
por ciento de aire teórico, b) una combustión completa con 400 por ciento
de aire teórico y c) una combustión incompleta (una cantidad de CO en los
productos) con 90 por ciento de aire teórico.
C 8 H 18
25 °C, 1 atm
Aire
25 °C, 1 atm
Cámara de
combustión
T P
1 atm
CO 2
H 2 O
N 2
O 2
Solución El octano líquido se quema de manera estacionaria. Es necesario
determinar la temperatura de flama adiabática para diferentes casos.
FIGURA 15-27
Esquema para el ejemplo 15-8.