Combustibles

1UNIVERSIDAD DE LENDpto. de Ingeniera Elctrica y Electrnica

BLOQUE 1.-

1.1 COMBUSTIBLES

21.1 COMBUSTIBLES

1.1.1 CLASIFICACIN1.1.2 PROPIEDADES GENERALES1.1.3 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES

SLIDOS1.1.4 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES

LQUIDOS1.1.5 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES

GASEOSOS

31.1.1 CLASIFICACINDefinicin: Sustancias que reaccionan con un comburente, normalmente oxgeno del aire, desprendiendo gran cantidad de energa trmica (reaccin exotrmica)Componentes principales: C, H, O, S, N, Compuestos metlicos.CLASIFICACIN DE LOS COMBUSTIBLES:

41.1.2 PROPIEDADES GENERALES DE LOSCOMBUSTIBLES

PODER CALORFICO:Definicin: Cantidad de calor liberado por unidad de masa de combustible (kJ/kg)

cuando ste se somete al proceso de combustin y los productos obtenidos llegan a su estado final de oxidacin. Su determinacin se realiza en el calormetro (o bomba calorimtrica) y representa la energa por unidad de masa o de volumen contenida en el combustible.

Poder calorfico Energa liberada Posibilidad de realizar trabajo til

Cantidad de combustible a utilizar.

P.C. Inferior (PCI): Calor liberado en la reaccin cuando el agua procedente de la combustin se mantiene en estado de vapor.

P.C. Superior (PCS): Calor liberado en la reaccin cuando el agua procedente de la combustin se condensa y libera la energa de vaporizacin.

PCS = PCI + gv * Hvap,aguaHvap,agua = Calor latente de vaporizacin del agua (kJ/kg).gv = generacin de agua en la combustin (kg de agua producida/kg de combustible)

51.1.2 PROPIEDADES GENERALES DE LOSCOMBUSTIBLES (2)

P.C. I. DE LOS COMBUSTIBLES MS USUALES


COMPOSICIN ELEMENTAL:

Carbono: Presente en forma de compuestos orgnicos y de sustancias minerales (carbonatos).

Hidrgeno: Presente en la materia orgnica y tambin en forma de agua (humedad del combustible).

Azufre: Se presenta en forma de compuestos sulfurados orgnicos mercaptanos) o de compuestos inorgnicos (sulfuros y sulfatos).

Nitrgeno: Forma compuestos orgnicos nitrogenados.

Oxgeno: Presente en la materia orgnica, en compuestos inorgnicos y formando parte del agua que humedece el combustible.

Compuestos metlicos: Si, Fe, Al, Pb, Sn, Va, Ni, Na, Ca,...Generalmente se encuentran en forma de compuestos inorgnicos (silicatos, sulfatos, sulfuros, carbonatos) y dan origen a las cenizas de la combustin.

71.1.2 PROPIEDADES GENERALES DE LOSCOMBUSTIBLES (3) DOSADO:

Relacin entre las masas de combustible y aire utilizadas en la reaccin de combustin:

F = mf / maDosado estequiomtrico (Fe): Dosado necesario para producir la reaccin

estequiomtrica (sin exceso ni defecto de oxgeno).Dosado relativo (FR): Relacin entre el dosado real y el estequiomtrico.

FR = F/FeFR < 1 => Mezcla pobreFR = 1 => Mezcla estequiomtricaFR > 1 => Mezcla rica

Dosado en funcin de la composicin elemental del combustible:Relacin de combustin de un combustible genrico:

Cn Hm Op Sz +(n+m/4+z-p/2)(O2+3,76 N2) n CO2 + (m/2) H2O + z SO2 + 3,76 (n + m/4 + z - p/2)N2

donde mf = 12n + m + 16p + 32zma =(n + m/4 + z + p/2)(32 + 3,76 28)


Dosado estequiomtrico para el aire (kg comb/kg aire):

Fe = mf / ma = (12 + m/n + 16p/n + 32z/n) / 137,28 (1 + m/4n + z/n -p/2n)

Dosado estequiomtrico para el oxgeno puro (kg comb/kg aire):

Feo = mf/mo = (12 + m/n + 16p/n + 32) / 32 (1+ m/4n + z/n - p/2n)

PRODUCCIN DE CO2:

Por kg de combustible( mco2 / mf ) = 44 / (12 + m/n + 16p/n + 32z/n) kg CO2 /kg comb

Por kg de mezcla:[mco2 /(mf/ma) ] = 44/(12+m/n +16p/n+32z/n)+137.28(1+m/4n+z/np/2n)

91.1.2 PROPIEDADES GENERALES DE LOS C. (4) CASO PARTICULAR: Combustible que solo contiene carbono e hidrgeno p=z=0Dosado estequiomtrico para el aire: Fe = mf / ma = (12 + m/n) / 137,28 (1 + m/4n) (kg comb/kg aire):Dosado estequiomtrico para el oxgeno puro:Feo = mf/mo = (12 + m/n + 32) / 32 (1+ m/4n)

PRODUCCIN DE CO2:Por kg de combustible: ( mco2 / mf ) = 44 / (12 + m/n) (kg CO2 /kg comb)Por kg de mezcla: [mco2 /(mf+ma) ] = 44/(12+m/n)+137.28 (1+m/4n)

REPRESENTANDO ESTOS VALORES EN FUNCIN DE LA RELACIN m/n

COMBUSTIBLE m/n Fe % 1/Fe mco2 / mfCarbn 0 8,7 11,5 3,67

Benceno 1 7,6 13,2 3,38

Eteno 2 6,8 14,7 3,14

Etano 3 6,2 16,1 2,93

Metano 4 5,8 17,2 2,75

Hidrgeno 2,9 34,5 0

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1.1.2 PROPIEDADES GENERALES DE LOS C. (5) PODER CALORFICO EN FUNCIN DE LA COMPOSICIN ELEMENTAL:Poder calorfico de una reaccin de combustin: Diferencia entre los calores de formacin de los reactivos y los calores de formacin de los productos:

Hc = p HofP -R HofR = (kJ/kmol)

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1.1.2 PROPIEDADES GENERALES DE LOS C. (6)

RESUMENPODER CALORFICO EN FUNCIN DE LA COMPOSICIN ELEMENTAL:Poder calorfico de una reaccin de combustin: Diferencia entre los calores de formacin de los reactivos y los calores de formacin de los productos:

Hc = p HofP -R HofR = (kJ/kmol)

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1.1.3 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES SLIDOS

A)-PROPIEDADES FSICAS DEL CARBN:Abrasividad: Directamente relacionada con la capacidad del combustible para producir desgastes en las piezas metlicas de la instalacin. Normalmente el carcter abrasivo lo dan las impurezas que acompaan al carbn.Cohesin, friabilidad y fragilidad: Capacidad del carbn para pasar a granulometras menores por efectos de impacto o rozamiento.Molturabilidad: Capacidad de pulverizacin de un carbn.B)-PROPIEDADES FSICO-QUMICAS DEL CARBN:Humedad: Cantidad de agua contenida en el combustible. Se determina por la cantidad evaporada cuando se calienta el combustible a 105C.Materias voltiles: Cantidad evaporada al someter al carbn a un proceso de pirlisis (calentamiento del carbn durante 7 minutos a 925C en ausencia de oxgeno).Coque: Cantidad que permanece despus de someter al carbn al proceso de pirlisis.Cenizas: Residuo que permanece despus del proceso de combustin. Formado por compuestos minerales presentes como impurezas en el carbn.Contenido en carbono: Diferencia entre el coque y las cenizas.

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1.1.3 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES SLIDOS (2)

C)- RELACIONES ENTRE DIFERENTES PROPIEDADES DEL CARBN:

Frmula de Dulong:P.C.S. = 80,8 [%C] + 344.([%H]-[%0]/8) + 22,2 [%S] (kcal/kg)P.C.S. = 338 [%C] + 1440.([%H]-[%0]/8) + 93 [%S] (kJ/kg)

Materias voltiles:[% M.V.] = 10,61[%H] - 1,24[%C] + 84,15

Porcentajes de hidrgeno y carbono en funcin de M.V. y P.C.S.:[%H] = 0,069.(P.C.S./1 00 + [%M.V.]) - 2,86 (PCS en kcal/kg)[%C] = 0,59 (P.C.S./1 00- 1,1 [%M.V.]/3) + 43,4 (idem)

Estas expresiones se pueden usar para biomasa slida con reservas.

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1.1.4 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES LQUIDOS

Densidad Viscosidad Volatilidad

o Curva de destilacino Presin de vapor

Calor latente de vaporizacin Inflamabilidad

o Lmites de inflamabilidado Punto de inflamabilidad

Calidad de combustino Nmero de octanoo Nmero de cetano

Formacin de gomas (MEP) o Gomas actualeso Periodo de induccin y

Gomas potenciales Residuo carbonoso Filtrabilidad

o Punto de enturbiamiento o Punto de obturacin del

filtro en fro (POFF) Corrosin Contenido en azufre. Benceno (MEP). Agua y sedimentos (MEC) Tolerancia al agua

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1.1.4 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES LQUIDOS (2)

DENSIDADDefinicin: Masa de un cierto volumen de combustible a una

determinada temperatura y presin, Salvo que se especifique otra cosa, siempre que se habla de densidad de un combustible se refiere a 15C y presin atmosfrica (760mm Hg):

= M/VUna propiedad muy relacionada con la densidad y que a veces se

confunde es el peso especfico, o " peso de la unidad de volumen ". Ambas magnitudes estn relacionadas a travs de la gravedad:

Pe=P/V=M.g/V=.gLa densidad de los combustibles lquidos, a presin atmosfrica,disminuye con la temperatura de acuerdo con la siguiente grfica:

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La densidad de los combustibles lquidos, a presin atmosfrica, disminuye con la temperatura de acuerdo con la siguiente grfica:

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CORRELACIONES ENTRE LA DENSIDAD Y OTRAS PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES LQUIDOS:

Relacin densidad/contenido en hidrgeno:H = 25 - 15. (% en peso)Relacin densidad/poder calorfico superior:P.C.S. = 51.900 - 8.800. 2 (kJ/kg combustible)Relacin densidad/poder calorfico inferior:P.C.I. = 46.600 - 8.800. 2 + 3.180. (kJ/kg combustible)Relacin densidad/volumen de aire para la combustin estequiomtrica:Ac= 13,34 - 2,67. (Nm3/kg combustible)Relacin densidad/calor especfico a presin constante:Aqu interviene una variable ms que es la temperatura (t, enC).Cp= 1/()1/2.(1,687+0,00335.t) (% en peso).

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VISCOSIDADMedida fsica de la resistencia que opone un lquido a fluir cuando se le aplica una fuerza exterior. Es importante en las etapas de almacenamiento y trasiego del combustible y tambin influye en el proceso de combustin.Existen dos tipos de viscosidad: viscosidad absoluta o dinmica () y viscosidad cinemtica ().Viscosidad dinmica o absoluta:La medida de la viscosidad dinmica en el sistema CGS es el poise y se define como aquel valor de viscosidad para el cual la fuerza de una dina, aplicada sobre una superficie plana de 1 cm2, la desplaza a una velocidad de 1 cm/s respecto a otra superficie plana de 1 cm2 situada a 1 cm de distancia de la primera en el seno del fluido. Sus unidades son:1 Po = (dina.cm)/ (cm2*cm/s) = g/cm.sPara expresar la viscosidad de los fluidos ms conocidos es ms comn el centipoise (cp = 0,01 poises). En el Sistema Internacional se utiliza el kg/m.s, que equivale a 1000 cp.

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Viscosidad cinemtica:Se define como el cociente entre la viscosidad absoluta y la densidad, medidas ambas a la misma temperatura. Su unidad en el sistema CGS es el stoke:1 St = (g/cm.s) / (g/cm3) = cm2/sIgual que en el caso de la viscosidad dinmica, para expresar la viscosidad cinemtica se utiliza el centistoke (cSt = 0,01 stokes = 1mm2/s). En el Sistema Internacional se utiliza el m2/s, que equivale a 106 cSt.

La viscosidad cinemtica se determina en el viscosmetro, midiendo el tiempo necesario para que un volumen fijo de lquido fluya por gravedad a travs del capilar del viscosmetro.

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OTROS MTODOS PARA DETERMINAR LA VISCOSIDAD :Existen mtodos empricos muy extendidos basados en determinaciones que se realizan en ciertos viscosmetros cuyo fundamento consiste en medir el tiempo de flujo de un determinado volumen de producto a travs de un orificio calibrado Los ms conocidos son los de Engler Redwood y Sayboll. Existen tablas que relacionan estas unidades entre s y con la viscosidad cinemtica.

Relacin entre la viscosidad y la temperatura:En general la viscosidad de los lquidos disminuye con la temperatura. A continuacin se presenta una grfica con los valores de viscosidad gasleo y fuelleos en funcin de la temperatura:

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VOLATILIDADCurva de destilacin:

Definicin:Porcentaje en volumen de combustible evaporado en funcin de la temperatura

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Puntos importantes de la curva de destilacin en gasolinas:10% muy alto => Dificultades de arranque en fro.10% muy bajo => Formacin de burbujas de vapor en caliente y aumento de las emisiones por evaporacin50% muy alto => Dificultades en calentamiento y aceleracin50% muy bajo => Formacin de hielo con tiempo hmedo y fro90% muy alto => Dilucin del aceite lubricante y formacin de residuos90% muy bajo => Menor poder calorfico del combustible (mayor consumo cuando el motor esta caliente).

La eleccin de las especificaciones de volatilidad adecuadas constituye un compromiso entre la influencia de las condiciones meteorolgicas, la situacin geogrfica y las caractersticas del parque de vehculos.

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INFLAMABILIDADDefinicin: Capacidad del combustible para formar una mezcla con el aire susceptible de arder ante la presencia de una llama o chispa.Existen dos propiedades asociadas a la inflamabilidad:

o Lmites de inflamabilidado Punto de inflamacin

Lmites de inflamabilidad:Lmites entre los cuales la proporcin combustible/aire permite que se produzca la reaccin de combustin.

En MEP: 0,7

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En la prctica: Dentro de la cmara de combustin se dan todos los dosados. Debido a la inyeccin directa, la autoinflamacin se produce en el punto que tenga el dosado ms apropiado (menor tiempo de retraso)

Punto de inflamacin (o temperatura de inflamacin):Temperatura a la cual un combustible, a una cierta presin (generalmente la atmosfrica), evapora en su superficie una cantidad de vapor suficiente para que una llama pueda producir la combustin. Da idea de la peligrosidad en el manejo de dicho combustible.Punto de inflamacin gasolinas (= - 40C) Punto de inflamacin gasleos (>55C).

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RESIDUO CARBONOSO (MEC)Materia carbonosa que permanece despus de someter la muestra a un proceso de evaporacin y pirlisis. Indica la tendencia del combustible a descomponerse en los calentamientos previos, formando inquemados que obturan los inyectores.Dos mtodos: Mtodo Conradson Mtodo RamsbottonValor lmite en gasleos (Ramsbotton) = 0,2% peso

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1.1.4 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES LQUIDOS (13)FILTRABILIDAD (MEC)Proporciona informacin acerca de la operabilidad (o trasegabilidad) del combustible a bajas temperaturas.Punto de enturbiamiento: Temperatura a la cual aparecen los primeros cristales de parafina.Punto de obturacin del filtro en fro (POFF): Temperatura mnima a la que puede pasar una muestra de combustible a travs de un filtro de malla determinada.

o Lmite inferior en verano: 0 Co Lmite inferior en invierno: -8 Co Valores gas leo: -18/-15 Co Valores steres metlicos: -15/0 C

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1.1.4 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES LQUIDOS (14)Otras propiedades:CENIZAS: Compuestos inorgnicos incombustibles que pueden provocar desgastes.CORROSIN: Potencialidad del combustible para atacar las superficies metlicas. Se utiliza el ensayo de la tira de cobre.CONTENIDO EN AZUFRE: Produce el contaminante S02

EXISTENCIA DE AGUA y SEDIMENTOSAgua: Puede interferir en el proceso de combustin.Sedimentos: Pueden ocasionar problemas en los filtros.

PUNTO DE ANILINA:Mnima temperatura a la cual se hace completamente miscible el combustible con anilina a partes iguales. Da una orientacin sobre la proporcin de hidrocarburos aromticos presentes en un combustible.Un punto de anilina bajo indica un alto contenido en aromticos.

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1.1.4 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES LQUIDOS (15)INDICE DE KUOPEste ndice, que sirve para caracterizar las distintas fracciones petrolferas, se define como:

K = 3Tmeb / pedonde pe es el peso especfico del producto a 60F relativo al agua(tambin a 60F) y Tmeb la temperatura en grados Rankine del promedio de los puntos de ebullicin absolutos.

Los ndices de Kuop aproximados de las distintas familias de combustibles son:K = 13: Parafinas normales e isoparafinas.K = 12: Hidrocarburos mixtos con ciclo y cadena equivalentes.K = 11: Naftnicos puros o aromticos ligeramente sustituidos.K = 10: Aromticos puros.

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Correlacin general:Existe una correlacin que interrelaciona ocho propiedades de los combustibles lquidos entre s, de modo que conocidas dos de ellas, podemos determinar otras seis de una recta que pasa por los dos puntos conocidos en el baco

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DENSIDADLa densidad de los gases es fuertemente variable con la presin y la

temperatura. Por ello se suele referir al volumen en condiciones normales (0C y 1 atm), expresndose en kg/Nm3.

El modelo de gas ideal p/ = mRT no siempre es adecuado, recurrindose a tablas o ecuaciones de estado especficas.

INFLAMABILIDADDe forma anloga a los combustibles lquidos se consideran:

o Lmites de inflamabilidado Punto de inflamacin

NDICE DE WOBBEPara un combustible gaseoso es la relacin entre su poder calorfico

superior y la raz cuadrada de su densidad especfica (relativa al aire):W = P.C.S. / e siendo e = / aire

1.1.5 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOS

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1.1.5 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOS (2)

El ndice de Wobbe es proporcional a la cantidad de energa calorfica del gas que pasa a travs de un orificio, en condiciones subsnicas. En funcin del ndice de Wobbe, se clasifican los combustibles en tres familias.PUNTO DE ROCOTemperatura a la cual, a una determinada presin, se produce la condensacin del gas, es decir es la temperatura a la cual se produce la saturacin del vapor en una mezcla gas-vapor.Es un parmetro muy importante en todos los procesos de combustin, independientemente del combustible que se emplee, ya que s los gases de combustin se enfran a una temperatura inferior al punto de roco de alguno de sus componentes, se produce una condensacin del mismo.En algunos casos, como con los xidos de azufre se pueden producir corrosiones. El SO4H2 es un producto corrosivo cuyo punto de roco est en torno a 150C, temperatura de debajo de la cual no es conveniente bajar los gases procedentes de la combustin del gasleo o del fuelleo.

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1.1.5 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOS (3)

PUNTOS DE FUSIN y DE EBULLICIN

Punto de fusin: Temperatura a la que un slido pasa al estado lquido.Punto de ebullicin: Temperatura a la que un lquido pasa al estado gas a un determinada presin. Tambin puede verse como la temperatura a la cual la presin de vapor del lquido iguala a presin a la que se encuentra (p.e. 1 atm).Punto de sublimacin: Para aquellos compuestos cuyo punto triple est por encima de la presin atmosfrica, es la temperatura a la que un slido pasa directamente al estado gas a presin atmosfrica.

PUNTO CRTICO Punto ms alto de la lnea de equilibrio lquido-vapor en un diagrama de fases (campana de saturacin).Este punto, definido por la presin crtica y la temperatura crtica, determina un estado a partir del cual no hay distincin entre lquido y gas.A una temperatura mayor que la crtica, no se puede licuar la sustancia aunque se aumente la presin.

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1.1.5 PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOS

CALOR ESPECFICOCantidad de calor necesaria para elevar la temperatura de un elemento en 1C por unidad de masa o volumen. Depende de la temperatura.PROPIEDADES DE DIVERSOS GASES

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BIBLIOGRAFADomnguez Garrido, U. Energas Renovables y Medioambiente, Secretariado de Publicaciones Universidad Valladolid (1994) (Varios ttulos en aos sucesivos)Hernndez Gonzlvez, C. Las Energas Renovables y Medio Ambiente. MOPU, Madrid (1990)IDAE, Manuales de Energas Renovables. N 2. Energa Elica. Madrid (1996)Ortega Rodrguez, M. Energas Renovables. Paraninfo (1999)Palz, W. Electricidad Solar: estudio econmico de la energa solar. Blume (1980)Sevilla, A. La Energa del Sol y del Viento. Editorial Alcin, Madrid ( 1992)APUNTES DE TECNOLOGA ENERGTICA. Departamento de Ingeniera Energtica y Fluidomecnica. Universidad de Valladolid.

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