TEMA 12 INTRODUCCIÓN A LA COMBUSTIÓN /21
Objetivos <ul><li>Plantear la complejidad e importancia de la combustión. </li></ul><ul><li>Definir lo que se entiende por...
Contenidos <ul><ul><li>Conceptos básicos de combustión </li></ul></ul><ul><ul><li>Fenomenología de la combustión </li></ul...
1. Conceptos básicos de combustión <ul><li>Importancia de la combustión </li></ul><ul><ul><li>Transformaciones energéticas...
1. Conceptos básicos de combustión (cont.) <ul><li>Aplicaciones </li></ul><ul><ul><li>Producción de calor </li></ul></ul><...
1. Conceptos básicos de combustión (cont.) <ul><li>Definición </li></ul><ul><ul><li>Transformación en calor de la energía ...
1. Conceptos básicos de combustión (cont.) <ul><li>Fenómenos involucrados </li></ul><ul><ul><li>Fenómenos químicos </li></...
1. Conceptos básicos de combustión (cont.) <ul><li>Tipos de combustión </li></ul><ul><ul><li>Combustión generalizada (auto...
1. Conceptos básicos de combustión (cont.) <ul><li>Casos concretos de combustión </li></ul><ul><ul><li>MEP </li></ul></ul>...
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<ul><li>Combustión laminar premezclada </li></ul><ul><ul><li>Se produce por efecto de la difusión molecular y térmica </li...
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2. Fenomenología de la combustión (cont.) <ul><li>Fracción de masa quemada </li></ul><ul><ul><li>Del balance de energía en...
3. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal <ul><li>Diagrama p-  </li></ul>/21
3. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) <ul><li>Fracción de masa quemada </li></ul><ul><ul><li>Otra f...
Resumen <ul><ul><li>El proceso de combustión es complejo e intervienen tanto fenómenos físicos como químicos. </li></ul></...
Bibliografía <ul><ul><li>Motores de Combustión Interna Alternativos.  </li></ul></ul><ul><ul><li>M. Muñoz, F. Payri, Servi...
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Tema12 IntroduccióN A La CombustióN

  1. 1. TEMA 12 INTRODUCCIÓN A LA COMBUSTIÓN /21
  2. 2. Objetivos <ul><li>Plantear la complejidad e importancia de la combustión. </li></ul><ul><li>Definir lo que se entiende por combustión. </li></ul><ul><li>Describir la fenomenología de la combustión. </li></ul><ul><li>Analizar el desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal. </li></ul>/21
  3. 3. Contenidos <ul><ul><li>Conceptos básicos de combustión </li></ul></ul><ul><ul><li>Fenomenología de la combustión </li></ul></ul><ul><ul><li>Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal </li></ul></ul>/21
  4. 4. 1. Conceptos básicos de combustión <ul><li>Importancia de la combustión </li></ul><ul><ul><li>Transformaciones energéticas </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Ámbito industrial y doméstico </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Efectos catastróficos </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Incendios, explosiones </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Carácter lúdico </li></ul></ul><ul><li>Implicaciones importantes </li></ul><ul><ul><li>Obtención de energía </li></ul></ul><ul><ul><li>Rendimiento </li></ul></ul><ul><ul><li>Emisiones contaminantes </li></ul></ul>/21
  5. 5. 1. Conceptos básicos de combustión (cont.) <ul><li>Aplicaciones </li></ul><ul><ul><li>Producción de calor </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Calefacción </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Procesos de transformación </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Producción de frío </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Frigoríficos de absorción </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Producción de trabajo </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Motores térmicos </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Explosivos </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Eliminación de residuos </li></ul></ul><ul><ul><li>Síntesis de compuestos </li></ul></ul><ul><ul><li>Iluminación </li></ul></ul><ul><ul><li>Producción de ruido </li></ul></ul><ul><ul><li>Control de fuegos </li></ul></ul>/21
  6. 6. 1. Conceptos básicos de combustión (cont.) <ul><li>Definición </li></ul><ul><ul><li>Transformación en calor de la energía almacenada en los enlaces químicos de determinadas sustancias, durante un proceso de oxidación. </li></ul></ul><ul><ul><li>Los enlaces moleculares débiles se rompen y se reemplazan por enlaces más fuertes. El exceso de energía se libera. </li></ul></ul><ul><ul><li>Esta definición implica: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Combustible (tipo y estado) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Oxidante (tipo y estado) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Entorno (campo de velocidades, temperaturas y presiones) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Proceso de encendido </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Catalizadores </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>El proceso de combustión es: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Una reacción química exotérmica </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Una reacción autosustentada con liberación de calor y luminosidad </li></ul></ul></ul>/21
  7. 7. 1. Conceptos básicos de combustión (cont.) <ul><li>Fenómenos involucrados </li></ul><ul><ul><li>Fenómenos químicos </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Estequiometría de la reacción </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Calores de reacción </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Fenómenos físico-químicos: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Equilibrio químico </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Tiempo de retraso </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Velocidad de reacción </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Fenómenos físicos: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Transporte de masa </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Transporte de cantidad de movimiento </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Transporte de energía </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Transporte de especies </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Tiempos característicos de cada fenómeno </li></ul></ul>/21
  8. 8. 1. Conceptos básicos de combustión (cont.) <ul><li>Tipos de combustión </li></ul><ul><ul><li>Combustión generalizada (autoencendido) </li></ul></ul><ul><ul><li>Combustión localizada: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Detonación (discontinuidad de p) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Deflagración (discontinuidad de T) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Premezclada: laminar, turbulenta </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Por difusión: gas/gas, líquido/gas, laminar, turbulenta </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>En un tubo de llama sucede: </li></ul></ul></ul>/21 Relación U sq /a U q /U sq p q /p sq T q /T sq Detonación 5-9 0,4-0,7 13-55 8-21 Deflagración 0,0001-0,03 4-16 0,98-0,97 4-16
  9. 9. 1. Conceptos básicos de combustión (cont.) <ul><li>Casos concretos de combustión </li></ul><ul><ul><li>MEP </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Combustión premezclada </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Autoencendido (detonación en motores) </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Motor diesel </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Tiempo retraso </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Autoencendido </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Combustión premezclada </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Combustión por difusión </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Líquido / Gas (evaporación) </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Gas / Gas (mezcla) </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><li>Turbinas de gas </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Combustión por difusión </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Calderas, hornos con quemador de gas </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Combustión premezclada </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Bombas calorimétricas, cocinas, mechero Bunsen </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Combustión premezclada laminar </li></ul></ul></ul>/21
  10. 10. 2. Fenomenología de la combustión <ul><li>Estructura del frente de llama </li></ul><ul><li>espesor del frente de llama </li></ul><ul><li>T q temperatura de productos quemados </li></ul><ul><li>T f temperatura adiabática de llama </li></ul><ul><li>T sq temperatura de productos sin quemar </li></ul><ul><li>T c temperatura intermedia </li></ul>Zona 1 = umbral de elevación de la temperatura 0.05 (T q –T sq ) Zona 2 = calentamiento Zona 3 = combustión Zona 4 = prerreacciones /21 U L
  11. 11. <ul><li>Combustión laminar premezclada </li></ul><ul><ul><li>Se produce por efecto de la difusión molecular y térmica </li></ul></ul><ul><ul><li>Mallard y Le Chatelier (planteamiento teórico simple): </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Coeficiente de difusividad térmica </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Velocidad de reacción </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Media geométrica </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>La velocidad de combustión laminar: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Depende poco de la presión para hidrocarburos (n ≈ 2) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Depende de la temperatura </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Varía con el dosado y con la presencia de elementos inactivos </li></ul></ul></ul>2. Fenomenología de la combustión (cont.) /21
  12. 12. <ul><li>Velocidad de combustión laminar función del dosado </li></ul>2. Fenomenología de la combustión (cont.) /21 <ul><li>Ejemplo </li></ul><ul><ul><li>U L = 80 cm/s </li></ul></ul><ul><ul><li>Duración comb. 120º cig. </li></ul></ul><ul><ul><li>Radio cámara: 40 mm. </li></ul></ul><ul><li> n máx 400 r.p.m. </li></ul>
  13. 13. <ul><li>Velocidad de combustión laminar función de P y T </li></ul><ul><ul><li>Velocidad de combustión laminar del CH 4 </li></ul></ul>2. Fenomenología de la combustión (cont.) /21
  14. 14. <ul><li>Combustión turbulenta premezclada </li></ul><ul><ul><li>La turbulencia condiciona la velocidad de combustión porque incrementa la difusión másica y la superficie del frente de llama </li></ul></ul><ul><ul><li>La velocidad de combustión turbulenta depende de la velocidad de combustión laminar y de la turbulencia </li></ul></ul><ul><ul><li>La combustión turbulenta es al menos de un orden de magnitud mayor que la laminar </li></ul></ul><ul><ul><li>En los MEP existe una turbulencia importante que aumenta la velocidad de combustión </li></ul></ul>2. Fenomenología de la combustión (cont.) /21
  15. 15. 2. Fenomenología de la combustión (cont.) <ul><li>Combustión en cámaras de v = cte </li></ul><ul><li>Existe dilatación de los productos </li></ul><ul><li>quemados: </li></ul><ul><ul><li>Velocidad de combustión </li></ul></ul><ul><ul><li>Velocidad de arrastre </li></ul></ul><ul><ul><li>Velocidad del frente de llama </li></ul></ul>PE: punto de encendido pq: Productos quemados msq: mezcla sin quemar /21
  16. 16. 2. Fenomenología de la combustión (cont.) <ul><li>Combustión en una bomba de v = cte </li></ul><ul><ul><li>Deflagración premezclada laminar </li></ul></ul>/21 Cortesía de Photron Europe Ltd. / Univ. Leeds
  17. 17. 2. Fenomenología de la combustión (cont.) <ul><li>Fracción de masa quemada </li></ul><ul><ul><li>Del balance de energía en un recipiente a volumen constante y adiabático, resulta que: </li></ul></ul><ul><li>Casos esfera y cilindro </li></ul>/21
  18. 18. 3. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal <ul><li>Diagrama p-  </li></ul>/21
  19. 19. 3. Desarrollo de la presión con el giro del cigüeñal (cont.) <ul><li>Fracción de masa quemada </li></ul><ul><ul><li>Otra forma de analizar el proceso </li></ul></ul><ul><ul><li>A partir de la presión en cilindro y con un modelo termodinámico de diagnóstico (primer principio) </li></ul></ul><ul><ul><li>Relación entre el calor liberado y la masa quemada </li></ul></ul>/21
  20. 20. Resumen <ul><ul><li>El proceso de combustión es complejo e intervienen tanto fenómenos físicos como químicos. </li></ul></ul><ul><ul><li>La combustión en los MEP es una deflagración de una mezcla homogénea. </li></ul></ul><ul><ul><li>La combustión en los MEC es una deflagración de una mezcla: </li></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Homogénea (premezcla) </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Por difusión </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><li>La señal de presión en cámara permite analizar la evolución de la combustión en un MCIA. </li></ul></ul>/21
  21. 21. Bibliografía <ul><ul><li>Motores de Combustión Interna Alternativos. </li></ul></ul><ul><ul><li>M. Muñoz, F. Payri, Servicio de Publicaciones E.T.S.I.I. de Madrid, 1989. </li></ul></ul><ul><ul><li>Internal Combustion Engine Fundamentals. </li></ul></ul><ul><ul><li>J.B. Heywood, McGraw-Hill, 1988. </li></ul></ul><ul><ul><li>Fundamentos de combustión. </li></ul></ul><ul><ul><li>J.M. Desantes, M. Lapuerta, Servicio de Publicaciones UPV, 1991. </li></ul></ul><ul><ul><li>Combustion. </li></ul></ul><ul><ul><li>I. Glassman, Academic Press., 1977. </li></ul></ul>/21

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