IILI04092 Motores de Combustión InternaCapítulo 2 Introducción a la combustión Problemas resueltos Ejemplo 2.1: Fracciones molar y de masa de una mezcla de gases. Considere una mezcla de gases que se compone de 3 kg de O2, 5 kg de N2 y 12 kg de CH4. determine (a) la fracción masa y (b) la fracción molar de cada componente, (c) el peso molecular promedio y la constante de gas de la mezcla. Ejemplo 2.2: Presión parcial de los constituyentes de una mezcla de gases. Considere una mezcla de gases que se compone de 3 kg de O2, 5 kg de N2 y 12 kg de CH4. determine (a) la fracción masa y (b) la fracción molar de cada componente, (c) el peso molecular promedio y la constante de gas de la mezcla. Ejemplo 2.3: Cálculo de la relación estequiométrica y análisis de los productos. Determine la relación aire-combustible estequiométrica (a) por volumen y (b) por masa, para la combustión de H2 en aire. (c) Proporcione el análisis volumétrico de los productos húmedos suponiendo que todo el H2O se encuentra en estado de vapor. (d) Suponga que la presión total de los productos húmedos es de 100 kPa, ¿cuál es la presión parcial de la humedad en los productos. (e) Determine la temperatura de punto de rocío para los productos. Ejemplo 2.4: Cálculo de la relación de equivalencia y la relación relativa. Un hidrocarburo cuya composición másica es 84,1 por ciento de C y 15,9 por ciento de H tiene un peso molecular de 114,15. Determine el número de moles de aire que se requieren para una combustión estequiométrica y el número de moles de los productos por mol de combustible. Calcule las relaciones (A/F)est, (F/A)est y los pesos moleculares de los reactantes y los productos. Ejemplo 2.5: Combustión con exceso de aire. Si el combustible del Ejemplo 2.4 se quema con 120% de aire teórico en un pequeño motor turbocargado de automóvil de cuatro cilindros, calcule las relaciones (A/F), (F/A) y la relación de equivalencia. Ejemplo 2.6: Temperatura de rocío de los gases de escape. ¿A qué temperatura empezará a condensar el vapor de agua presente en los gases de escape del motor del Ejemplo 2.5? La presión de escape es de una atmósfera. Considere (a) Aire seco a la entrada. (b) Aire a la entrada con una humedad relativa de 55% y una temperatura de 25 °C. Ejemplo 2.7: Combustión con escasez de aire. Gasóleo (C12H26) reacciona con 80% de aire teóricamente seco. Determine los productos húmedos de la combustión con base en volumen. J.M. Riesco A. Página | 1 IILI04092 Motores de Combustión Interna Ejemplo 2.8: Análisis de los productos húmedos y secos. Se quema gasolina (C8H18) con 30% de aire en exceso y los productos se enfrían a 25 °C a 1 atm. (a) Proporcione el análisis volumétrico de los productos en este estado. (b) Dé también un análisis volumétrico de los productos en una base seca (es decir, sin vapor de agua en los productos). Ejemplo 2.9: Porcentaje de aire teórico utilizado. Se quema gas natural (considerado aquí como CH4) con aire seco de la atmósfera. Un análisis Orsat de los productos secos da valores por volumen de 10,00% CO2, 1,71% O2 y 1,00% CO. ¿Cuál es el porcentaje de aire teórico usado durante el proceso? Ejemplo 2.10: Composición del combustible. Un hidrocarburo combustible desconocido CaHb reacciona con aire seco. Un análisis volumétrico de los productos secos arroja los siguientes resultados: 9,57% CO2, 6,39% O2 y 84,04% N2. Determine: (a) La composición del combustible, (b) la ecuación de la reacción para el proceso y (c) el porcentaje de aire teórico usado en el proceso. Ejemplo 2.11: Cálculo de la entalpía de los productos y reactantes. Calcule la entalpía de los productos y de los reactantes, y el incremento de entalpía y de energía interna de la reacción de una mezcla estequiométrica de metano con oxígeno a 298,15 K. Ejemplo 2.12: Poder calorífico del metano. Para la reacción del metano con 100% de aire teórico a 25 °C y 1 atm, determine (a) la entalpía de reacción, (b) la entalpía de combustión, (c) el calor de combustión, (d) el poder calorífico inferior y (e) el poder calorífico superior. Ejemplo 2.13: Cálculo de la entalpía de reactantes. Keroseno líquido de poder calorífico inferior (determinado en una bomba calorimétrica) de 43,2 MJ/kg y razón molar promedio H/C de 2, se mezcla con aire estequiométrico a 298,15 K. Calcule la entalpía de los reactantes relativa a la entalpía de referencia cero para C, O2, N2 e H2 a 298,15 K. Ejemplo 2.14: Cálculo de la entalpía de reactantes. A la cámara de combustión de una turbina de gas entra octano líquido (C8H18) de manera estable a 1 atm y 25°C, y se quema con aire que entra a la cámara de combustión a las mismas condiciones de presión y temperatura. Determine la temperatura de llama adiabática para (a) una combustión completa con 100% de aire teórico, (b) una combustión completa con 400% de aire teórico y (c) una combustión incompleta (con un poco de CO en los productos) con 90% de aire teórico. Ejemplo 2.15: Cálculo de la entalpía de reactantes. Resolver el inciso (a) del Ejemplo 2.14, utilizando el calor específico medio a presión constante de los productos. J.M. Riesco A. Página | 2 IILI04092 Motores de Combustión Interna Problemas propuestos 2.1 Considere una mezcla de dos gases A y B. Demuestre que, cuando se conocen las fracciones másicas yA y yB, las fracciones molares se pueden determinar por 𝑃𝑀𝐵 𝑥𝐴 = 𝑃𝑀 (1⁄ y 𝑥𝐵 = 1 − 𝑥𝐴 𝐴 𝑦 𝐴 −1)+𝑃𝑀𝐵 donde PMA y PMB son los pesos moleculares de A y de B, respectivamente. 2.2 Una mezcla gaseosa consiste en 3 lbmol de helio, 1.5 lbmol de oxígeno, 0.3 lbmol de vapor de agua y 25 lbmol de nitrógeno. Determine la fracción molar de los diversos constituyentes y el peso molecular aparente de esta mezcla, en lbm/lbmol. 2.3 Una mezcla de gases consiste en 20% de O2, 30% de N2 y 50% de CO2, basados en masa. Determine el análisis volumétrico de la mezcla y la constante del gas aparente. 2.4 1 kmol de monóxido de carbono se mezcla con 3 kmol de N2. La presión total de la mezcla es de 100 kPa y la temperatura es de 300 K. Calcule (a) la presión parcial de cada constituyente, (b) el peso molecular de la mezcla, (c) la constante específica de la mezcla y (d) la masa total de la mezcla. Respuesta: (a) PCO = 25 kPa; PN2 = 75 kPa; (b) 28 kg/kmol; (c) 0,297 kJ/kg.K; (d) 112 kg. 2.5 1 kmol de monóxido de carbono se mezcla con 0,5 kmol de oxígeno. La mezcla está a 100 kPa y 25 °C. (a) Determine el volumen de la mezcla. El monóxido de carbono reacciona con el oxígeno formando 1 kmol de dióxido de carbono, el producto de la reacción se enfría a 25 °C, mientras que la presión permanece a 100 kPa. (b) ¿Cuál es el volumen final de este producto? Respuesta: (a) 37,2 m3; (b) 28,8 m3. 2.6 Se quema gas metano (CH4) con 50% de aire en exceso. Determine las razones aire- combustible (A/F) y combustible-aire (F/A) (a) con base molar, (b) con base en masa, (c) la relación de equivalencia combustible-aire , (d) la relación relativa aire-combustible , (e) el análisis molar de los productos húmedos de la combustión y (f) el análisis volumétrico de los productos secos de la combustión. Respuesta: (a) 14,28; 0,07; (b) 25,9; 0,04; (c) 0,667; (d) 1,5; (e) 7% CO2; 14% H2O; 79% N2; 2.7 Suponga que en el Problema 2.6 los productos se enfrían a 25 °C y 100 kPa. ¿Cuántos kmoles de H2O de los productos se condensan por kmol de combustible? Respuesta: 1,60 kmol agua/kmol de combustible. 2.8 El análisis volumétrico de los productos de la combustión cuando se quema octano (C8H18) con aire es 12,5% CO2, 14,06% H2O y 73,44% N2. Calcule la razón molar aire- combustible de la mezcla reactiva. Respuesta: 59,5 J.M. Riesco A. Página | 3 IILI04092 Motores de Combustión Interna 2.9 Un combustible con fórmula C8Hx (donde x es desconocida) se quema con aire y el análisis Orsat de los productos de la combustión da: 84,3% N2, 3,74% O2 y el resto es CO2. (a) Encuentre x. (b) ¿Cuál es la razón gravimétrica aire-combustible? Respuesta: (a) 18, (b) 18,1 2.10 Evalúe el poder calorífico inferior y superior, por unidad de masa de una mezcla estequiométrica y por unidad de volumen de una mezcla estequiométrica (en condiciones atmosféricas estándar) del isooctano (C8H18), alcohol metílico (CH3OH) e hidrógeno (H2). Considere que el combustible está completamente vaporizado. 2.11 Gasóleo [C12H26 (l)] reacciona con 130% de aire teórico a 25°C y 1 atm. Determine (a) la entalpía de reacción, (b) la entalpía de combustión, (c) el calor de combustión, (d) el poder calorífico inferior y (e) el poder calorífico superior. 2.12 Gasóleo [C12H26 (l)] reacciona con 130% de aire teórico a 25°C y 1 atm. Determine (a) la entalpía de reacción, (b) la entalpía de combustión, (c) el calor de combustión, (d) el poder calorífico inferior y (e) el poder calorífico superior. 2.13 Hidrógeno [H2 (g)] entra al motor de un cohete a 100 K y reacciona con una cantidad estequiométrica de O2 (g) a 100 K. La reacción ocurre en un proceso de flujo estable y la combustión se lleva a cabo en forma completa. La entalpía específica estándar para el H2 (g) y O2 (g) entrantes son ̶5300 kJ/kmol y ̶5780 kJ7kmol, respectivamente. Suponiendo un comportamiento de gas ideal para los reactantes y productos, determine la temperatura de llama adiabática para la reacción. 2.14 Hidrógeno [H2 (g)] entra al motor de un cohete con aire a 25°C y 1 atm en un proceso de flujo estable. Suponiendo una combustión completa y un comportamiento de gas ideal de los reactantes y productos, determine la temperatura de llama adiabática para (a) aire teórico, (b) 120% de aire teórico y (c) 90% de aire teórico. 2.15 Una mezcla estequiométrica de propano (C3H8) y aire se quema completamente a presión constante en un mecanismo de pistón cilindro bien aislado. La temperatura inicial de la mezcla es de 25°C. Suponiendo que la combustión es completa, encuentre la temperatura final de los productos si el propano a 25°C tiene una entalpía de combustión (con H2O en la fase de vapor) de ̶46 300 kJ/kg. El cp para N2, CO2 y H2O se puede tomar como 1.22, 1.3 y 2.5 kJ/kg.K, respectivamente. J.M. Riesco A. Página | 4