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Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
TEMA 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍAHumedad específica y relativa del aire.
Temperatura de punto de rocío, de saturación adiabática y de bulbo húmedo.
Diagrama psicrométrico.
2. TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS.
Equilibrio químico.
3. COMBUSTIÓN Combustibles .
Entalpía de formación y de combustión.
Temperatura de combustión adiabática.
Analisis de sístemas reactivos (1ª y 2ª Ley)
4. ANÁLISIS EXERGÉTICO
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
AIRE: - ATMOSFÉRICO: Mezcla de gases que se encuentra compuesta principalmente por un 21% de oxigeno, 78% denitrógeno y el resto otra serie de componentes entre los que se encuentra el vapor de agua.
- SECO: Mezcla de gases que se encuentra compuesta UNICAMENTE por oxigeno y nitrógeno.
Aire seco
Vapor de aguaComposición NO constanteCondensación/evaporación
-10 a 50 ºC Gases idealesC p constante Dh ???
P = Pa + Pv (LEY DE DALTON)
Tv <50 ºC h= f(T)h vapor de agua (T) = h vapor saturado (T)
Pv Presión que el vapor de agua ejercería si existiera sólo a la temperatura y volumen de la mezcla
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
PROPIEDADES DEL AIRE HÚMEDO
PROPIEDADES RELACIONADAS CON LA MASA DE VAPOR DE AGUA:
• HUMEDAD ABSOLUTA
• HUMEDAD RELATIVA
• PRESIÓN DE VAPOR
PROPIEDADES RELACIONADAS CON LA TEMPERATURA:
• TEMPERATURA DEL BULBO SECO
• TEMPERATURA DEL BULBO HÚMEDO
• TEMPERATURA DE ROCIO
PROPIEDADES RELACIONADAS CON EL VOLUMEN Y LA ENERGÍA:
• VOLUMEN ESPECÍFICO
• CALOR ESPECÍFICO
• ENTALPÍA
Termómetro ordinario
Termómetro bulbo seco
Corriente de aire
Algodón
Agua Líquida
V m/S
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
Humedad específica o absoluta. Masa de vapor de agua presente en una masa unitaria (kg de agua/ kg de aire seco)
Humedad relativa. (kg de agua/ kg de agua)
(J/Kg aire seco)
w kg
1 kg aire seco 1 + w kg aire humedo
Valores de la presión de saturación delaire, a distintas temperaturas, se puedenobtener de tablas
Aire seco 0<Humedad relativa<1 Aire saturado
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
Diagrama psicrométrico
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
Diagrama psicrométrico
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
Diagrama psicrométrico: TEMPERATURA DEL BULBO HUMEDO
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
Diagrama psicrométrico: HUMEDAD ESPECÍFICA
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
Diagrama psicrométrico: HUMEDAD RELATIVA (f)
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
Diagrama psicrométrico: Temperatura de Rocio
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
Diagrama psicrométrico: Entalpía
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
Diagrama psicrométrico: Volumen específico
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
Diagrama psicrométrico
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
Una habitación contiene aire a 1 atm, 23 ºC y humedad relativa del 70 %. Determine:a) Humedad específica b) Entalpía del aire secoc) Temperatura de bulbo húmedo d) Temperatura de punto de rocioe) Volumen específico del aire Use la carta psicrométrica
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
a) Humedad específica ( 12,5 g agua/kg aire seco)
b) Entalpía del aire seco (55,2 kJ/kg de aire seco)
c) Temperatura de bulbo húmedo (19,5 ºC)
d) Temperatura de punto de rocio (17 ºC)e) Volumen específico del aire (0,86 m3/kg
aire seco)
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍA
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
TEMA 6: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍAHumedad específica y relativa del aire.
Temperatura de punto de rocío, de saturación adiabática y de bulbo húmedo.
Diagrama psicrométrico.
2. TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS.
Equilibrio químico.
3. COMBUSTIÓN Combustibles .
Entalpía de formación y de combustión.
Temperatura de combustión adiabática.
Analisis de sístemas reactivos (1ª y 2ª Ley)
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
2. TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
Equilibrio químico: CONSTANTES DE EQUILIBRIO
DCBA DCBA i: Coeficientes estequiométricos (relacionar el cambio en
el número de moles entre los diferentes componentes)A, B, C y D: Especies químicas.
Adn : Cambio diferencial en el número de moles de A.
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
2. TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
Equilibrio químico: CONSTANTES DE EQUILIBRIO
C
i
iidndG1
0o
i
ioii
oii
f
fRTaRT lnln
D ioi
oRG DGR
o: Variación de la energía libre de Gibbs de la reacción en condiciones estándar (1 atm y 25 ºC).
C
i
C
i
iiii aRTaRT
1 1
)(lnln 0ln
1
D
C
i
ioR
iaRTG
R
BA
DCDCBA
C
i
i Kaa
aaaaaaa
BA
DC
DCBAi
1
Soluciones ideales, ai = ci ( ) 0ln D RoR KRTG ( )
RT
GK
oR
R
Dln
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Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
2. TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
Desplazamiento del equilibrio
Presión
Principio de Le Chatelier: cualquier influencia externa que perturbe el equilibrio de un sistemaprovoca en éste cambios que tienden a contrarrestar dicha influencia.
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
2. TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
Temperatura
oR
oR
oR STHG DDD
R
S
RT
H
RT
STH
RT
GK
oR
oR
oR
oR
oR
R
D
D
DD
D
)(ln
2
ln
RT
H
dT
Kd oRR D
: influye tanto en el caso de gases y vapores como en líquidos.
= f (signo de DHRo)
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
Constantes de equilibrio para mezclas de gases ideales
2. TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
TEMA 6: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍAHumedad específica y relativa del aire.
Temperatura de punto de rocío, de saturación adiabática y de bulbo húmedo.
Diagrama psicrométrico.
2. TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS.
Equilibrio químico.
3. COMBUSTIÓN Combustibles .
Entalpía de formación y de combustión.
Temperatura de combustión adiabática.
Analisis de sístemas reactivos (1ª y 2ª Ley)
4. ANÁLISIS EXERGÉTICO
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
3. COMBUSTIÓN
Combustible: Cualquier material que pueda quemarse para liberar energía. .
Combustible hidrocarburo (C + H) Cn Hm
GasLiquidoSólido
Octano C8 H18
Dodecano C12 H26
Gas natural: Metano C H4
LPG: Propano C2 H6
Combustión: Reacción química durante la cual se oxida um combustible y se libera gran cantidad de energía.
Cn Hm + O2 CO2 + H2O
Aire 21% O2 + 79% N2
1 kmol O2 + 3,76 kmol N2 = 4,76 kmol aire
?
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Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
3. COMBUSTIÓN
Combustión: Cn Hm + O2 CO2 + H2O
Temperatura de ignición: 260 ºC gasolinas, 400 ºC carbón, 580 ºC metano. La masa total de cada elemento se conserva durante una reacción química. El número total de moles no se conserva durante una reacción química. Relación aire – combustible: Masa de aire /masa de combustible ó moles de aire/moles de combustible.
Combustión incompleta
Oxígeno insuficiente. Mezclado insuficiente. Disociación provocada por las altas temperaturas.
CAMARA DE
COMBUSTIÓN
Cn H2n+2
MetanoEtanoPropanoButanoOctanoDodecano
?
Cn Hm + ?O2 + ?N2 nCO2 + m/2 H2O + O2 + N2
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Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
3. COMBUSTIÓN
Combustible: Cualquier material que pueda quemarse para liberar energía. .
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
3. COMBUSTIÓN
Combustión:
Aire estequiométrico Cn Hm + ? O2 + ?N2 n CO2 + m/2 H2O + N2
Aire real > aire estequeométrico
Sustancias que se pueden encontrar en los humos:
ANALIZADOR DE ORSAT
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Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
3. COMBUSTIÓN
Entalpía de formación y entalpía de combustión
Las moléculas de un sistema poseen energía en diversas formas:
- Energía sensible
- Energía latenteCambio de estado Estructura molecular
D Esistema = D Eestado + D Equímica Si no hay cambio de estado: D Esistema = D Equímica
¿Estado de referencia? 25ºC y 1 atm (h0 u0 )
CAMARA DECOMBUSTIÓN
(Reacción. Exotérmica)
Energía liberada= Hprod – Hreact = hg = h c
• hg = Entalpía de reacción (Diferencia entre la entalpía delos productos y los reactivos en un mismo estadoespecificado para una reacción completa)
• hc = Entalpía de combustión (calor liberado durante elproceso de combustión en estado estacionario al quemar 1kmol por completo a un estado específicado) INCOMPLETA?
- Energía química
- Energía nuclear
• hf = Entalpía de formación (representa la energía química de un elemento en estado dereferencia, entalpía de una sustancia en un estado especificado debido a su composición)
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
3. COMBUSTIÓN
Entalpía de formación y entalpía de combustión
• hf (= 0 para elementos estables a 25 ºC y 1 atm) Ej: N2, O2, H2, C …
Formación del CO2 a partir de C + O2 a 25 ºC y 1 atm
hf0 =Cantidad de energía liberada cuando el CO2 se forma a partir de sus elementos estables
durante un proceso de flujo estacionario = - 393520 kJ/kmol
Signo – calor liberadoSigno + calor absorbido
Poder calorífico de un combustible: cantidad de calor liberado cuando ese combustible se
quema por completo en un proceso de flujo estacionario = Valor absoluto de la entalpía de
combustión del combustible. Depende del estado del agua:
- PCS : El agua está en fase líquida
- PCI : El agua está en fase gas
hf0
agua = f ( estado) hf
0=−285.830 kJ/mol (L)
hf0=−241.818 kJ/mol (V)
PCS= PCI- (m· hfg )agua
m= masa de agua en los productos por unidad de combustible.hfg= entalpia de vaporización delagua
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
Combustibles .
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Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
3. COMBUSTIÓN
Análisis de sistemas reactivos: primera ley: Flujo estacionario:
Expresar la entalpía para relacionarlo con estado de referencia y energía química
Entalpía =
Entalpía estado de referencia estandar
Entalpía estado especificado = f (T)
Tasa de transferencia neta de energía hacia el sistema por mol de combustible mediante el calor, el trabajo y la masa
Tasa de transferencia neta de energía fuera del sistema por mol de combustible mediante el calor, el trabajo y la masa
np y nr : Flujos molares de reactivo r o producto p
Referido a mol de combustible:
Np y Nr : moles de reactivo r o producto p
h0c
ENTRADA SALIDA
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Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
3. COMBUSTIÓN
Análisis de sistemas reactivos: primera ley: Sistemas cerrados :
U: energía interna= H – P vDespreciable L y S
RT (GI)
TEMPERATURA DE LLAMA ADIABÁTICA: En el caso de que no existan perdidas de calor al exterior, es
la máxima temperatura que se alcanzaría en los productos si la combustión es completa. (Q= W = 0)
Técnica iterativa: Se supone una temperatura para los gases de combustión, se calcula H prod =f (T).Se comprueba si esta H prod = H react
Cambio de entropía:
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Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
3. COMBUSTIÓN
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
TEMA 6: Psicometría y combustión
1.SISTEMA AIRE – AGUA: PSICOMETRÍAHumedad específica y relativa del aire.
Temperatura de punto de rocío, de saturación adiabática y de bulbo húmedo.
Diagrama psicrométrico.
2. TERMODINÁMICA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS.
Equilibrio químico.
3. COMBUSTIÓN Combustibles .
Entalpía de formación y de combustión.
Temperatura de combustión adiabática.
Analisis de sístemas reactivos (1ª y 2ª Ley)
4. ANÁLISIS EXERGÉTICO
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales Tema 7: Psicometría y combustión
4. ANÁLISIS EXERGÉTICO
Aire
T i
Gasolina
Aire +
Gases comb.
T + dT i
Estado inicial Estado final
E + E Comb aire
= E Gas+aire
Exergía:
Máxima cantidad de trabajo que un sistema podrá realizar si interacciona
con el medio ambiente hasta alcanzar el equilibrio con este último
• Termomecánica: cambios en condiciones térmicas y mecánicas
• Química: cambios en la composición
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales
Sistemas Cerrados
Trabajo útil máximo que podría extraerse de un sistema al pasar por un proceso
reversible desde un estado dado hasta el estado muerto (T0 = 25 ºC y p0 = 1 atm):
(kJ) gzv
m)VV(P)SS(T)UU(A
2
2
00000
Diferencia de exergía entre dos estados de un sistema cerrado:
)VV(P)SS(TEE
)zz(gvv
m)VV(P)SS(T)UU(AA
12012012
12
2
1
2
21201201212
2
4. ANÁLISIS EXERGÉTICO
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales
Sistemas CerradosDe acuerdo al Primer Principio de la termodinámica, para un sistema cerrado:
WQEE 12
Balance de entropía para un sistema cerrado:
cte)T a es (siT
QSS 12
Variación de exergía del sistema cerrado, entre el estado final e inicial
( ) ( ) ( ) ( )12001201201212 VVPT
QTWQVVPSSTEEAA
( )
exergía de ndestrucció
o ilidadIrrev ersibútil) (trabajo W a asociada Exergía
Q a asociada Exergía
TVVPWT
TQAA
0120
012 1 Balance de exergía
4. ANÁLISIS EXERGÉTICO
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales
Sistemas Abiertos
F A
LVC
Trabajo de flujo
VPW F lujo
La exergía asociada al trabajo de flujo en las secciones de entrada y salida del sistema:
)VPVP(A pv 0
Exergía de s. abierto = exergía de sistema cerrado + exergía asociada a trabajo de flujo:
( )
zgv
m)SS(T)HH(
VPVPgzv
m)VV(P)SS(T)UU(VPVPAB
2
2
2
000
0
2
000000
4. ANÁLISIS EXERGÉTICO
Curso 2012-2013Tema 5. Equilibrio de fases TERMODINAMICA APLICADA
Ingeniería en Tecnología Industriales
41
Sistemas AbiertosExergía específica
(kJ/kg) zgv
)ss(T)hh(b
2
2
000
( )
destruidaExergía
materia de flujoexergía de Trans.
ssee
trabajo al asoc.exergía Trans
V C
calor al asoc.exergía Trans.
abierto sistemaexergía v ariación
V C Tbmbmdt
dVPWQ
T
T
dt
dA
00
01
Balance de exergía
Suponiendo estado estacionario:
mmm
dt
dV
dt
dA
se
V CV C
00( )
( )
00
00
1
10
TWQT
T)bb(m
T)bb(mWQT
T
es
se
4. ANÁLISIS EXERGÉTICO