Primer Examen

Capítulo 15 I 799

En la ausencia Je cualquier pérdida de calor hacia los alrededores (Q = Ul, la temperatura de los productos alcanzará un máximo que se denomina temperatura de flama adiabática de la reacción. La temperatura de flama adiabática de un proceso de combustión de flujo estacionario se determina de acuerdo con H_pmi = //_rellc, o

V a_v(7¡í + _h - Jf)_p = 2 A'Ah] + h~ h%

Tomando la dirección positiva de la transferencia de calor hacia el sistema, la relación de balance de entropía se expresa, para un sistema cenado o una cámara de combustión de flujo estaciona rio, como

Para un proceso adiabático se reduce a

C ₌ C _ O > ()

^gcrLadiiibáúco prod °react — ^w

La tercera ley Je la termodinámica establece que la entropía de una sustancia cristalina pura a la temperatura del cero absoluto es cero. La tercera ley proporciona una base común para la entropía de todas las sustancias, y los valores de entropía relativos a esta base se denominan entropía absoluta. Las tablas de gases ideales incluyen los valores de entropía absoluta sobre un amplio intervalo de temperaturas, pero a una presión tija de

P_Q = 1 atm. Los valores de entropía absoluta a otras presiones P para cualquier temperatura T se determinan de

1(T,P) = s°(T,P₀) - «,>-£-

Para el componente i de una mezcla de gases ideales, esta relación puede escribirse como:

J,(7= sJ(T, P_ti) ~ R„ ln

donde P¡ es la presión parcial, y, es la fracción molar del componente y P_m es Ja presión total de la mezcla en atmósferas.

La destrucción de exergía y el trabajo reversible asociados con una reacción química se encuentran a partir de

^destruida ^rev ^aci

w_m = v.v_r(/j; + * - *■= - t₀s), - V_Np(hj + í, - r - t¿)„

Cuando los reactivos así como los productos están a la temperatura de los alrededores el trabajo reversible puede expresarse en términos de las funciones de Gibbs como

w„,v = v +*r, - n - y, x_PQf - «7, - I^o),,

REFERENCIAS Y LECTURAS RECOMENDADAS

1. S. W. .Angrist. Direet Energy Conversión, 4a. ed., Boston, 3. R. Strehlow, Pundamentals of Combustión, Seranton, Fila-Mass., Allyn and Bacon, 1982. deltia, International Tcxtbook Co., 1968.

2. I. Glassman. Combustión. Nueva York, Academic PTexs,

1977.

PROBLEMAS*

Combustibles y combustión

15-1C ¿Cuáles son las composiciones químicas aproximadas de la gasolina, el diesel y el gas natural?

'Los problemas marcados con "C" son preguntas de concepto y se exhorta a los estudiantes a contestarlas todas. Los problemas marcados con lina “E” están en unidades inglesas, y quienes utilizan unidades SI pueden Ignorarlos. Los problemas con un icono de CD-EES 'i. se resuelven por medio de EES y las soluciones completas junto con los estudios ntramétricos se incGyen en el DVD ad|unto. Los problemas con el Icono £3 son de comprensión y se requiere una computadora para resolverlos, de presencia con e software EES que acompaña a este texto.

15-2C ¿Cómo afecta la presencia de N₂ en el aire al resultado de un proceso de combustión?

15-3C ¿Cómo afecta la presencia de humedad en el aire resultado de un proceso de combustión?

15-4C ¿Que representa la temperatura del punto de rocío de los gases producto? ¿Cómo se determina esto ?

15-5C ¿Acaso se conserva intacto el número de átomos de cada elemento durante una reacción química? ¿Que ocurre con el número total de moles?

15-bC ¿Qué es la relación aire-combustible? ¿Cómo se vincula con la relación combustible-aire?

15-7C ¿La relación aire-combustible que se expresa sobre base molar es idéntica a la relación aire-combustible expresada sobre la base de masa?

15-8 Las cantidades de irazu de azufre (S) en el carbón se queman en presencia de oxígeno diatómico (0₂) para formar dióxido de azufre (SCM Determine la masa mínima de oxigeno que se necesita en los reactantes y la masa de dióxido de azufre en lus productos cuando se quema 1 kg de azufre.

15-9E El metano (CH₄) se quema en presencia de oxígeno diatómico. Los productos de combustión consisten en vapor de agua y gas de dióxido de carbono. Determine la masa del vapor de agua generado al quemar i lbm de metano.

Respuesta: 2.25 lbm H₂0/lbm combustible

Procesos teóricos y reales de combustión

15-lOC ¿Cuáles son las causas de la combustión incompleta ?

15-llC ¿Qué es más probable encontrar en los productos de una combustión incompleta de un combustible de hidrocarburos, CO u OH? ¿Por qué?

15-12C ¿ Oué representa el 100 por ciento del aire teórico?

15-13C ¿La combustión completa y la teórica son idénticas? Si no, ¿en qué se distinguen?

15-14C Considere un combustible que se quema con u) 130 poi ciento del aire teórico, y b) 70 por ciento de exceso de ai re. ¿En qué caso se quema el combustible con más aire?

15-15 Se quema combustible de propano tC H„! en presencia de aire. Suponiendo que la combustión es teórica —es decir. sólo están presentes en los productos nitrógeno (N,), vapor de agua (H.Oi y dióxido de carbono (C0₂)— determine o) la fracción másica de dióxido de carbono, y b\ las fracciones molar y másica del vapor de agua en los productos.

C.Hv

CO,

H,0

n₂

Cámara de combustión

Aire teórico

FIGURA P15-15

15-16 El mezclador de combustibles en un quemador de gas natural mezcla metano (CH₄) con aire para formar una mezcla combustible a la salida. Determine Jos flujos másícos en las dos entradas que se necesitan para producir 0.01 kg/s de una mezcla ideal de combustión a la salida.

15-17 Se quema n octano (C.H₁₈) con la cantidad estequio-métriea de oxígeno. Calcule la fracción másica de cada uno de los productos y la masa de agua en los productos por unidad de masa de combustible quemado.

15-18 Se quema acetileno (C .H .) con 10 por ciento de exceso de oxígeno en un soplete de corte. Determine la fracción másica de cada uno de los productos. Calcule la ma.sa de oxígeno que se usa por unidad de masa de acetileno que se quema.

15-19 Determine la relación combustible-aire cuando se quema carbón de Colorado, que tiene un análisis final (por masa) como 79.65 por ciento de C, 4.66 por ciento de H,,

4.76 por ciento de O ., 1.83 N₂, 0.52 por ciento S y 8.62 por ciento cenizas (no combustibles), con 50 por ciento de exceso de aire. Respuesta: 0.0576 kg combustible/kg aire

Carbón
	Cámara de
5()‘.'¡ de exceso	combustión
de aiie

CO,, FEO SO,. O,, N,

FIGURA P15-19

15-20 Se quema propano (C,H_S) con 75 por ciento de exceso de aire durante un proceso de combustión. Suponiendo combustión completa, determine la relación aire-combustible.

Respuesta: 27.5 kg a¡re/kg combustible

15-21 Se quema acetileno (C.H.; con la cantidad estequio-métrica de aire durante un proceso de combustión. Suponiendo combustión completa, determine la relación aire-combustible sobre base de masa y sobre base molar.

15-22E Se quema etileno ;CH₄i con 200 por ciento del aire teórico durante un proceso de combustión. Suponiendo combustión completa y una presión total de 14.5 psia, determine

a) la relación aire-combustible, y b) la temperatura de punto de rocío de los productos.

Respuestas: a) 29.6 lbm aire/lbm combustible, b) 101°F

15-23 Se quema propileno (C₃H₆) con 60 por ciento de exceso de aire durante un proceso de combustión. Suponiendo combustión completa y una presión total de 105 kPa, determine a) la relación aire-combustible, y h) la temperatura a la que el vapor de agua en los productos comenzará a condensarse.

15-24 Se quema butano (C₄H_lc) en 200 por ciento del aire teórico. En caso de combustión completa, ¿cuántos kniol de agua se deben rociar en la cámara de combustión por kmol de combustible si los productos de la combustión deben tener una temperatura de punto de rocío de 60°C cuando la presión del producto es de 10U kPu'

15-25 Una mezcla combustible de 20 por ciento, a base má-sica, de metano (CH₄) y 80 por ciento de etanol (C H₆0) se quema completamente con aire teórico. Si el flujo total del combustible es de 31 kg/s, determine el flujo necesario de aire, Respuesta: 330 kg/s

15-26 Se quema octano tC₆H,_si con 250 por ciento del aire teórico que entra a la cámara de combustión a 25°C. Suponiendo una combustión completa y una presión total de 1 atin, determine a) la relación aire-combustible, y b) la temperatura de punto de rocío de los productos.

GgH_ls
	Cámara de combustión	Productos
,4 IRC	/’ = 1 añil
25'C	/’ = 1 añil

FIGURA P15-26

15-27 Se quema gasolina (supuesta como en un flu-

jo estacionario, con aire en un motor de propulsión por reacción. Si la relación aire-combustible es 18 kg aire/kg combustible, determine el porcentaje del aire teórico que se usa durante este proceso.

15-28 Se quema combustible de n-butano (C₄H₁₀) con la cantidad estequiométrica de aire. Determine la fracción mási-ca de cada producto. También calcule la masa de dióxido de carbono en los productos y la masa de aire necesaria por unidad de masa de combustible que se quema.

15-29 Un carbón de Fensilvania que tiene un análisis final ipof masa'i como 8436 por ciento de C, 1.89 por ciento de H₂,

4.40 por ciento de 0₂, 0 63 por ciento de \₂, 0.86 de S y 7.83 por ciento de cenizas (no combustibles!, se quema con la cantidad estequiométrica de aire. Calcule las fracciones molares de los productos, el peso molecular aparente del gas producto, y la relación aire-combustible necesaria despreciando el constituyente de cenizas.

15-30 Se quema alcohol metílico (CH,OH) con la cantidad estequiométrica de aire. Calcule las fracciones molares de cada uno de los productos, y la masa molar aparente del gas producto. También calcule la masa de agua en los productos por unidad de masa ule combustible quemado.

Respuestas: 0.16 (C0₂), 0.231 (H₂0), 0.653 (N?), 27.5 kg/kmol, 1 13 kg H-O/kg combustible

15-31 Un carbón de Utah, que tiene un análisis tinal (por masa) de 61.40 por ciento de C. 5.79 por ciento de H-. 25.31 por ciento de O,. 1.00 por ciento de N₂, 1.41 por ciento de S y

5.00 por ciento de cenizas mo combustibles), se quema con la cantidad estequiométrica de aire; pero la combustión es incompleta y 5 por ciento del carbono en el combustible forma monóxido de carbono. Calcule la fracción másica y el peso molecular aparente de los productos, y la masa de aire necesaria por unidad de masa de combustible quemado.

15-32 Se quema combustible de propano (C₃H_g) con 30 por ciento de exceso de aire. Determine las fracciones molares de cada uno de los producios. También calcule la ma»a de agua en los productos por unidad de masa de combustible, y la relación aire-combustible.

15-33 Cierto gas natural tiene el siguiente análisis volumétrico: 65 por ciento de CH_;. 8 por ciento de H₂, 18 por ciento de N,, 3 por ciento de 0_: \ 6 por ciento de CÜ„ Este gas se quema ahora por completo con la cantidad estequiométrica de aire seco. ¿Cuál es la relación aire-combustible para este proceso de combustión?

15-34 Repita el problema 15-33 reemplazando el aire seco por aire húmedo que entra a la cámara de combustión a 25³C, 1 utm y 85 por ciento de humedad relativa.

15-35 Un combustible gaseoso con un análisis volumétrico de 60 por ciento de CH₄, 30 por ciento de H_;, y 10 por ciento de \₂ se quema por completo con 130 por ciento del aire teórico. Determine a) la relación aire-combustible, y b) la fracción de vapor de agua que condensaría si los gases del producto se enfriaran a 20°C a i atm.

Respuestas: a) 18.6 kg aire/kg combustible, M 88 por ciento

15-36 Reconsidere el problema 15-35. Usando el soft-■£«2 w are EES (a otro), estudie lo> efectos de variar los porcentajes de CH₄. H- y N\ que constituyen el combustible y la temperatura de los gases del producto en el rango de 5 a 150 C.

15-37 Se quema carbono c) con aire seco. El análisis volumétrico de los productos es 10.06 por ciento de C0₂, 0.42 por ciento de CO, 10.69 por ciento de O, y 78.83 por ciento de N₂. Determine a) la relación aire-combustible y b) el porcentaje del atre teórico usado.

15-38 Se quema metano (CH₄) con aire seco. El análisis de los productos en base seca es 5.20 por ciento de C0₂. 0.33 por ciento de CO, U.24 por ciento de O-, y 83.23 por ciento de N₂. Determine a) la relación aire combustible, y b) el porcentaje usado del aire teórico.

Respuestas: a) 34.5 kg aire/kg combustible, b) 200 por ciento

15-39 Se quema alcohol metílico iC’H₃OHj con 50 put ciento de exceso de aire. La combustión es incompleta y 10 por ciento del carbono en el combustible forma monóxido de car-bono. Calcule la fracción molar del monóxido de carbono y el peso molecular aparente de los productos.

CHjOH
	Cámara ele
Aire	combustión
50% exceso

FIGURA P15-39

15-40 Se quema n-octano (C_SH_1S) con 10(1 por ciento de exceso de aire, y 15 por ciento del carbono en el combustible forma monóxido de carbono. Calcule las fracciones molares de los productos y la temperatura de punto de rocío del vapor de agua en los productos cuando éstos están a una presión de 1 atm. Respuestas: 0.0548 (C0₂), 0.0097 (CO), 0.0725 (H₂0), 0.1056 (0₂), 0.7575 (N₂), 39.9°C

Entalpia de formación y entalpia de combustión

15-41C ¿Qué es la entalpia de combustión? ¿Cómo se distingue de la entalpia de reacción?

15-42C ¿Qué es la entalpia de formación? ¿Cómo se distingue de la entalpia de combustión?

15-43C , Qué son los poderes caloríficos superior e inferior de un combustible? ¿En qué se distinguen'’ ¿Cómo se relaciona el poder calorífico de un combustible con la entalpia de combustión de ese combustible?

15-44C ¿Cuándo son idénticas la entalpia de formación y la entalpia de combustión?

15-45C ¿La entalpia de formación de una sustancia cambia con la temperatura?

15-46C La h° del N₂ está listada como cero. ¿Significa esto que el N₂ no contiene energía química en el estado estándar de referencia?

15-47 ¿Cuál contiene más energía química, 1 kmol de H₂ o 1 kmol de H_:0?

15-48 Determine la entalpia de combustión del metano (CH_t.) a 25°C y 1 aim, usando los datos de entalpia de formación de la tabla A-26. Suponga que el agua en los productos está en forma líquida. Compare su resultado con el valor listado en la tabla A-27. Respuesta: 890 330 kJ/kmol

¹⁵‘⁴⁹ Reconsidere el problema 15-48. Usando el soft-ware EES (u otro), estudie el efecto de la temperatura sobre la entalpia de combustión. Graftque la entalpia de combustión comu función de la temperatura sobre el rango de 25 a 600°C.

15*50 Repita el problema 15-48 para etano gaseoso (CjH^).

15-51 Repita el problema 15-48 para octano liquido (Ct_RH_l;s).

15-52 Se quema etano (C₂H₆) a presión atmosférica con la cantidad cstequiométrica de aire como el oxidante. Determine el calor rechazado, en kJ/kmol combustible, cuando los productos y los re-aciantes están a 25°C y el agua aparece en los productos como vapor.

15-53 ¿Cuál es la presión mínima de los productos del problema 15-52 que asegurará que el agua en los productos estará en forma de vapor?

15-54 Calcule los poderes caloríficos superior e inferior de un carbón de Utah que tiene un análisis final (por masa) como

61.40 por ciento de C, 5.79 por ciento de H₂, 25.31 por ciento de O,. 1.09 por ciento de N₂, 1.41 por ciento de S y 5 00 por ciento de cenizas (no combustibles). La entalpia de formación del SO, es -297 100 kJ/kmol.

Respuestas: 30 000 kj/kg, 28 700 kJ/kg

Análisis según primera ley de sistemas reactantes

15-55C Deduzca una relación de balance de energía para un sistema reactante cerrado que sufre un proceso de expansión o compresión de cuasiequilibrio a presión constante.

15-56C Considere un proceso de combustión completa durante el cual tanto los reactantes como los productos se mantienen en el mismo estado. La combustión se lleva a cabo con o) 100 por ciento del aire teórico, b) 200 por ciento del <iire teórico, y c) la cantidad químicamente correcta de oxígeno puro. ¿Para cuál caso será máxima la cantidad de transferencia de calor? Explique.

15-57C Considere un proceso de combustión completa durante el cual los reactantes entran a la cámara de combustión a 20°C y los productos salen a 700°C. La combustión se lleva a cabo con a) 100 por ciento del aire teórico, b) 200 por ciento del aire teórico, y c) la cantidad químicamente correcta de oxígeno puro. ¿Para cuál caso será mínima la cantidad de transferencia de calor? Explique.

15-58 Se quema combustible de propano (C₃H₈) con una relación aire-combustible de 18 en un horno de calentamiento a presión atmosférica. Determine la transferencia térmica por kilogramo de combustible quemado cuando la temperatura de los productos es tal que el agua líquida apenas comienza a formarse en los productos.'

15-59 Se quema gas de n-octano (C_SH_1S) con 100 por ciento de exceso de aire en un quemador de presión constante. El aire y el combustible entran estacionariamente a este quemador en condiciones estándar y los productos de la combustión salen a 257°C. Calcule la transferencia térmica, en kJ/kg combustible, durante esta combustión.

01 Gsalida

O’cHiü	Cámara de combustión
25°C	Cámara de combustión	_w Productos
100% exceso de aire	P - 1 aun	257°C
25°C	P - 1 aun

FIGURA P15-59

15-60 Cn carbón de Texas que tiene un análisis final (por masa) de 39.25 por ciento de C, 6.93 por ciento de H₂, 41.11 por ciento de 0₂, 0 72 por ciento de N,, 0.79 por ciento de S y

11.20 por ciento de cenizas (no combustibles) se quema estacionariamente con 40 por ciento de exceso de aire en una caldera de una planta termoeléctrica. El carbón y el aire entran a esta caldera en condiciones estándar y los productos de combustión en la chimenea están a 127°C. Calcule la transferencia de calor, en kJ/kg combustible, en esta caldera. Incluye el efecto del azufre en el análisis de energía observando que el dióxido de azufre tiene una entalpia de formación de -297 000 kJ/kmol y un calor específico promedio a presión constante de c._p = 41.7 kJ/kmol ■ K.

15-61 Se quema metano (CH j por completo con la cantidad estequiométrica de aire durante un proceso de combustión de flujo estacionario. Si tanto los reactantes como los productos se mantienen a 25°C y 1 atm y el agua en los productos existe en forma líquida, determine la transferencia térmica de la cámara de combustión durante este proceso. ¿Cuál sería su respuesta si la combustión se llevara a cabo con 100 por ciento de exceso de aire? Respuesta: 890 330 kJ/kmol

15-62 Propano líquido (C₃H₈) entra a 25°C, a razón de 1.2 kg/min, a una cámara de combustión, donde se mezcla y se quema con ) 50 por ciento de exceso de aire que entra a la cá-

.Sf Qs. i

CjH₈
25⁵C	Cámara de	Producios
AIRE	combustión	1200 k
12°C

mará ilc combustión a 12°C. Si la combustión es completa y la temperatura de salida de los gases de combustión es de I 200 K, determine a) el flujo másico de aire, y b) la tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión.

Respuestas: a) 47.1 kg/min, £>) 5 194 kJ/min

15-63E Se quema por completo octano líquido (C₈H_]S) a 77°F durante un proceso de combustión de flujo estacionario con 180 por ciento del aire teórico que entra a la cámara de combustión a 77°F, Si los productos salen a 2 500 R, determine a) la relación aire-combustible, y b) la transferencia de calor de la cámara de combustión durante este proceso.

15-64 Se quema gas benceno (C₆H₆) a 25°C durante un proceso de combustión de flujo estacionario con 95 por ciento del aire teórico que entra a la cámara de combustión a 25 °C. Todo el hidrógeno del combustible se quema a H_rO. pero parte del carbono se quema a CO. Si los productos salen a 1 01)0 K, determine a) la fracción molar del CO en los productos, y B) la transferencia de calor de la cámara de combustión durante este proceso.

Respuestas.- a) 2.1 por cisnto. b) 2 112 800 kJ/kmol C H_(J

15-65E Se quema combustible diesel (C_;,H₁₃) a 77"F en una cántara de combustión de flujo estacionario con 20 por ciento de exceso de aire que también entra a 77°F. Los productos salen de la cámara de combustión a 800 R. Suponiendo que la combustión es completa, determine el flujo másico de combustible diesel para suministrar calor a razón de 1 800 Btu/s. Respuesta: 0.1 Ibm/s

15-66 . Jjp. Gas octano (C_gH_1g) que entra a 25³C se quema

• M '' estacionariamente con 30 por ciento de exceso de aire a 25^JC, I atm y 60 por ciento de humedad relativa. Suponiendo que la combustión es completa y los productos salen de La cámara de combustión a 600 K, determine la transferencia de calor pata este proceso por unidad de masa de octano.

15-67 Reconsidere el problema 15-66. Usando el soft-ms ware EES (u otro), investigue el efecto de la cantidad de exceso de aire sobre la transferencia de calor del proceso de combustión. Haga variar el exceso de aire de 0 a 200 por ciento. Grafique la transferencia de calor contra el exceso de aire y explique los resultados.

15-68 Gas etano (C,H^) que entra a 25°C se quema en una

cámara de combustión de flujo estacionario a razón de 5 kg/h con la cantidad estequiomctrica de aire, que se preealienta a 500 k antes de entrar a la cámara de combustión. Un análisis de los gases de combustión revela que todo el hidrógeno del combustible se quema a H,0, pero sólo 95 por ciento del carbono se quema a CO,, mientras el restante 5 por ciento forma

Qs ailda

C₂H₆
25'C	Cámara de
AIRii	combustión	800 K
500 K

CO. Si los productos salen de la cámara de combustión a 800 K, determine la lasa de transferencia de calor de la cámara de combustión. Respuesta: 200 170 kj'h

15-69 Un tanque de volumen constante contiene una

fiit mezcla de 120 g de gas metano (CH₄) y 600 g de O, a 25”C y 200 kPa. F.l contenido del tanque se enciende ahora y el gas se quema por completo. Si la temperatura final es de 1 200 K, determine í7) la presión final en ei tanque, y b) la transferencia de calor durante este proceso.

15-70 vm Reconsidere el problema ! 5-69. Usando el sofl-■Sfi ware EES (u otro), investigue el efecto de la temperatura final sobre la presión final y la transferencia de calor para el proceso de combustión. Haga variar la temperatura final de 500 a 1 500 K. Grafique la presión final y la transferencia de calor contra la temperatura final y explique los resultados.

15-71 Se quema combustible ele propano (C,H„) en un calentador de espacios con 50 por ciento de exceso de aire. El combustible y el aíre entran a este calentador estacionariamente a 1 atm y 17^k'C, mientras los productos de combustión salen a 1 atm y 97^CC. Calcule el calor transferido en este calentador, en kl/kmol de combustible.

Respuesta: 1 953 000 kJ/kmoi de combustible

15-72E Una Ibmol de metano (CH₄) sufre combustión completa con la cantidad estequiométnca de aire en un contenedor rígido. Inicialmentc, el aire y el metano están a 14.4 pala y 77^lF. Los productos de combustión están a 840°F. ¿Cuánto calor se rechaza de contenedor, en Btu/lbmol combustible?

ch₄

Aire teórico X-tO’F

FIGURA P15-72E

15-73 El producto efectivo de masa por calor específico (me ) de un calorímetro de bomba de volumen constante es 100 kJ/K. Se prueba en el calorímetro paja de trigo, que se está considerando como combustible alternativo. Diez gramos de esta paja se colocan en el calorímetro. Después de cargar el calorímetr o con oxigeno y quemar la paja, se encuentra que la temperatura del calorímetro ha aumentado en 1,8°C. Determine el poder calorífico de esta paja. ¿Cómo se compara éste con el poder calorífico superior del combustible de propano?

15-74 Un tanque de volumen constante contiene una mezcla de 1 kmol de benceno (C₆H_t) gaseoso y 30 por ciento de exceso de aire a 25 ^eC y 1 atm. Ahora se enciende el contenido del tanque y todo el hidrógeno del combustible se querna a H,0 pero sólo 92 por ciento del carbono se quema a C0₂, mientras que el 8 por ciento restante forma CO. Si la temperatura final en el tanque es de l 800 K, determine la transferencia de calor de la cámara de combustión durante este proceso,

(Calida

álrS exceso de aire 2.S"C I atm

FIGURA P15-74

15-75F Un tanque de volumen constante contiene una mezcla de l Ihmol de benceno (C^H^) y JO por ciento de exceso de aire a 77^lí' y 1 atm. Ahora se enciende el contenido del tanque y todo el hidrógeno del combustible se quema a H_-0, pero sólo el 92 por ciento del carbono se quema a CO.. mientras el 8 por ciento restante forma CO. Si la temperatura final del tanque es de 1 800 R, determine la transferencia de calor durante esto proceso. Respuesta: 946 870 Btu

15-76 Para suministrar aire calentado a una casa, un homo de gas de alta eficiencia quema propano gaseoso tC.H-i con una eficiencia de combustión de % por ciento. Tanto el combustible como 140 pur ciento del aire teórico entran a la cámara de combustión a 25'C y 100 kPa, y la combustión es completa Como éste es un horno de alta eficiencia, los producios de combustión se enfrían a 25 C y 100 kPa antes de salir del homo. Para mantener la casa a la temperatura deseada, se necesita una tasa de transferencia de calor de 31 650 kJ/h del horno. Determine el volumen de agua condcnsada de los gases de combustión por día. Respuesta: 8.7 L/día

Temperatura de flama adiabática

15-77C Un combustible se quema por completo, primero con la cantidad estequiométrica de aire y luego con la cantidad cs-tequiométrica de oxígeno puro. ¿Para cuál caso será más «tita la temperatura de flama adiabática?

15-78C Un combustible a 25 C se quema en una cámara de combustión bien aislada de flujo estacionario con aire que también está a 25^CC. ¿En qué condiciones será máxima la temperatura de fiama adiabática?

15-79 fr. Hidrógeno (H_;) a 7°C se quema con 20 por ^ ílv ciento de exceso de aire que también está a 7^rC durante un proceso de combustión adiabática de [lujo estacionario. Suponiendo combustión completa, determíne la temperatura de salida de los gases de combustión.

Respuesta: 2 251 K

	ES:
	§
j CáMará'dc	l	Productos
combustión		T ’ proü

15-80 _m Reconsidere el problema 15-79. Usando el soft-M ware EES {u otro), modifique este problema para incluir los combustibles butano, etano. metano y propano, así como H₂, para incluir los efectos de las temperaturas de entrada del aire y del combustible, y el porcentaje del aire teórico que se suministra. Seleccione un rango de parámetros de entrada y explique los resultados de sus decisiones.

15-81E Se quema hidrógeno (Hó que entra a 40'F con 20 por ciento de exceso de aire que también entra a 40 T, durante un proceso de combustión adiabática con flujo estacionario. Suponiendo combustión completa, encuentre ¡a temperatura de salida de los gases de combustión.

15-82 ¿Cuál es la temperatura de fiama adiabática del metano (CH₄) cuando se quema con 30 por ciento de exceso de aire?

15-83 Octano líquido (C,JH_lis) se quema en el quemador adiabático de presión constante de un motor de avión con 40 por ciento de exceso de aire. El aire entra al quemador a 600 kPa y 307 C, y el combustible se inyecta al quemador a 25'C. Estime la temperatura de salida de los gases de combustión. Respuesta: 2 113 K

15-84 Una empresa grande de ferrocarril ha experimentado quemar carbón pulverizado en un quemador de turbina de gas. Se introdujo cincuenta por ciento de exceso de aire al quemador a 1 380 kPa y 127 V, y el carbón pulverizado se inyectó a 25’C. La combustión fue adiabática a presión constante. Con base en un carbón de Colorado con análisis final (por masa) de 79.61 por ciento de C, 4.66 por ciento de H₂, 4.76 por ciento de O,, 1.83 por ciento de X₂, 0.52 de S y 8.62 por ciento de cenizas (no combustibles), ¿cuál es la temperatura estimada de los productos de combustión? Ignore el efecto del azufre en el balance de energía.

FIGURA P15-84

15-85 Los productos de combustión del problema 15-84 se expanden en una turbina isentrópica a 140 kPa, Calcule el trabajo producido por esta turbina, en kJficg combustible.

15-86 Se quema alcohol etílico [C,H,OH (g)] con 200 por ciento de exceso de aire en un contenedor adiabático de volumen constante. Inicialmente, el aire y el alcohol etílico están a 100 kPa y 25'C. Suponiendo combustión completa, determine la temperatura y la presión finales de los productos de combustión Respuestas-, 1 435 K, 493 kPa

15-87 Un tanque adiabático de volumen constante contiene una mezcla de 1 kmol de gas hidrógeno (H2) y la cantidad es-tequiométrica de aire a 25'C y I atm. El contenido del tanque se enciende ahora. Suponiendo combustión completa, determine la temperatura final en el tanque.

Cambio de entropía y análisis según segunda ley de sistemas reactantes

15-88C Exprese el principio de incremento de entropía para sistemas químicos reactantes.

15-89C ¿Cómo se determinan los valores absolutos de entropía de los gases ideales a presiones diferentes de una atmósfera?

15-90C ¿Qué representa la función de Gibbs ¿X de formación de un compuesto?

15-91 Un kmol de H₂ a 25^CC y I atm se quema estacionariamente con 0.5 kmol de 0₂ en el mismo estado. El H_;0 que se forma durante el proceso se lleva luego a 25“ y l atm, las condiciones del entorno. Suponiendo que Ja combustión es completa, determine el trabajo reversible y la destrucción de exergía para este proceso.

15-92 Etileno (C₂H₄) gaseoso entra a una cántara de combustión adiabática a 25 C y I atm, y se quema con 20 por ciento de exceso de aire que entra a 25X y 1 atm. La combustión es completa, y los productos salen de la cámara de combustión a la presión de 1 atm. Suponiendo T₀ = 25 X, determine o) la temperatura de los productos, h) la generación de entropía, y c) la destrucción de exergía.

Respuestas: a) 2 269.6 K, b) 1311.3 kJ/kmol ■ K. c) 390 760 KJ/kmol

15-93 Octano líquido (C₈H_lg) entra a una cámara de combustión de flujo estacionario a 25‘C y 1 atm a razón de 0.25 kg/mm. Se quema con 50 por ciento de exceso de aire que también entra a 25°C y 1 atm. Los productos se dejan enfriar a 25°C. Suponiendo combustión completa y que todo el i LO en los productos está en forma líquida, determine a) la tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión, b) la tasa de generación de entropía, y c) la tasa de destrucción de exergía. Suponga que T_b = 0 y que los productos salen de la cámara de combustión a una presión de 1 atm.

Tn= 298 K

¿salida

CgH₁₈{r)
25°C	de	Productos
AIRE	combustión ¹ atm	25’C
25 C

FIGURA P15-93

15-94E Benceno gaseoso (C₆H₆) a 1 atm y 77“F se quema durante un proceso de combustión de flujo estacionario con 95 por ciento del aire, teórico que entra a la cámara de combustión a 77^JF y 1 atm. Todo el hidrógeno en el combustible se quema a H,0, pero parte del carbono se quema a CO. Se pierde calor al enlomo a 77°F, y los productos salen de la cámara de combustión a i atm y l 500 R. Determine a) la transferencia de calor de la cámara de combustión, y b) la destrucción de exergía.

15-95 " > Entra propano líquido (C\HJ u una cámara de

«v combustión de flujo estacionario a 25 X y 1 atm

a razón de 0.4 kg/min y se mezcla y quema con 150 por ciento de exceso de arre que entra a la cámara de combustión a 12X. Si los productos de combustión salen a I 200 K y 1 atm. determine «) el flujo másico de aire, b) la tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión, y c) la tasa de generación de entropía durante este proceso. Suponga T₀ = 25°C.

Respuestas; a) 15.7 kg'mln, b) 1 732 kJ/min. el 34.2 kJ/min • K

15-96 [SJCJ Reconsidere el problema 15-95. Usando el sofi-

aS ware EES (u otro), estudie el efecto de variar la temperatura del entorno de 0 a 38X sobre la tasa de destrucción de exergía, y grafíquela como función de la temperatura del entorno,

15-97 Se quema n-octano (C_SH₁₈) en un motor de automóvil con 200 por ciento de exceso de aire. El aire entra al motor a 1 atm y 25'C. El combustible líquido a 25 X se mezcla con este aire untes de la combustión. Los productos de escape salen del sistema de escape a 1 atm y 77X, ¿Cuál es la cantidad máxima de trabajo, en U/kg de combustible, que puede producir este motor? Tome T₀ = 25X.

15-98 El motor de automóvil del problema 15 97 se va a convertir a combustible de gas natural (itieluno, CH₄). Supo niendo que todos los tactores quedan iguales, ¿cuál es el trabajo máximo que puede producir este motor modificado, en kJ/kg de combustible? Respuesta: 51 050 kJ/kg combustible

ch₄	; ’ X
25^CC
200? exceso Je aire	u
25"C

Productos

77'C

FIGURA P15-98

15-99 Se quema n-octano (C₈H_lg) en un quemador de presión constante de un motor de avión con 30 por ciento de exceso de aire. El aire entra a este quemador a 600 kP:t y 327° C, e! combustible líquido se inyecta a 25X, y los productos de combustión salen a 600 kPa y 1 227X, Determine la generación de entropía y la destrucción de exergía por unidad de masa de combustible durante este proceso de combustión. Tome T₀ = 25°C.

Problemas de repaso

15-100 Una muestra de I g de cierto combustible se quema en un calorímetro de bomba que contiene 2 kg de agua en presencia de 100 g de aire en la cámara de reacción. Si la temperatura del agua se eleva en 2.5X cuando se establece e! equilibrio, determine el poder calorífico del combustible, en kj/kg.

1S-101E Se quema hidrógeno con 100 por ciento de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 90^CF, 14.5 psia y 60 por ciento de humedad relativa. Suponiendo combustión completa, determine a) la relación aire-combustible, y b) el flujo volumétrico de aire necesario para quemar el hidrógeno a razón de 25 lbm/h.

15-102 Un combustible gaseoso con 80 por ciento de CH₄, 15 por ciento de N₂ y 5 por ciento de O, (en base molar) se quema con aire seco que entra a la cámara de combustión a 25^CC y 100 kPa. El análisis volumétrico de los productos en base seca es 3.36 por ciento de CO,, 0.09 por ciento de CO, 14.91 por ciento de O, y 81.64 por ciento de K₂. Determine a) la relación aire-combustible, b) el porcentaje de aire teórico usado y c ) el flujo volumétrico de aire usado para quemar el combustible a razón de 1.4 kg/min.

80%.CH₄ 15% NT,— 5% O,

Cámara de combustión

3.36% CO, 0 09% CO * 14.91'I O, 81.64% N,

AIRL-

FIGURA P15-102

15-103 Se quema combustible de propano (C₄H_t) con la cantidad estequiométrica de oxígeno. Determine la fracción másica de dióxido de carbono y agua en los productos. También calcule la masa de agua en los productos por unidad de masa de combustible que se quema.

15-I04E Un carbón de Utah que tiene un análisis final (por masa) de 61.40 por ciento de C, 5.79 por ciento de FL. 25.31 por ciento de 0₂, 1.09 por ciento de Nj, 1.41 por ciento de S y

5.00 por ciento de cenizas (no combustibles), se quema con 20 por ciento de exceso de aire en una caldera de presión atmosférica. Calcule la masa de agua en los productos de combustión por unidad de masa de carbón quemado, y la temperatura de punto de rivío del vapor de agua en los productos.

Respuesta$: 0.549 lbm H-O/'bm carbón, 108“F

15-105 Se quema n octano (C,,H_IS) ^con 60 por ciento de exceso de aire en un motor de automóvil. Suponiendo que la combustión es completa y que la presión en el sistema de escape es 1 atm, determine la temperatura mínima de los productos de combustión antes de que comience a formarse agua líquida en el sistema de escape.

15-106 Se quema combustible de metano (CH.,,1 con 50 por ciento de exceso de aire en un homo pura calefacción de espa-eios. J.a presión en la chimenea es 1 atm. Suponiendo combustión completa, determine la temperatura de los productos de combustión a la que comenzará a formarse agua líquida en la chimenea.

15-107 Calcule los poderes caloríficos superior e inferior de un combustible de metano gaseoso (CH₄). Compare sus resultados con los valores de la tabla A-27.

15-108 Desarrolle una expresión para el poder calorífico superior de un alcano gaseoso C„H,„_₂ en términos de n.

15-109 Un carbón de Colorado que tiene un análisis final (por masa) de 79.61 por ciento de C, 4.66 por ciento de H,,

4.76 por ciento de 0_:. 1.83 por ciento de N,, 0,52 por ciento de S y 8.62 por ciento de cenizas (no combustibles), se quema en una caldera industrial con 10 por ciento de exceso de aire. La temperatura y la presión en la chimenea son 5U^JC y 1 atm. Calcule la fracción del agua en los productos de combustión que es líquida y la fracción que es vapor.

15-110 Se quema n-hutano (C,F1|₀) con la canndad estequiométrica de aire en una estufa de cocina. Los productos de combustión están a la presión de 1 atm y a 40^CC. (Que fracción del agua en estos productos es líquida?

C₄h

4ⁿlU

Cámara de combustión

CO,. H,0, N, 'iO'C

Ai ir teórico

1 atm

FIGURA P15-110

15-111 Se suministra gas CO a una cámara de combustión de flujo estacionario a 37 'C y 110 kPa a razón de 0,4 mVmin, y aire a 25^C y 110 kPa a razón de 1.5 kg/min. Los productos de combustión salen de la cámara de combustión a 900 K. Suponiendo que la combustión es completa, determine la tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión.

15-112 Se quema estacionariamente gas metano (CH₄) a 25®C con aire seco que entra a la cámara de combustión a 17°C. El análisis volumétrico de los productos en base seca es 5.20 por ciento de CO ., 0.33 por ciento de CO, 11.24 por ciento de O, y 83.23 por ciento de N₂. Determine a) el porcentaje de aire teórico usado y b) la transferencia de calor de la cámara de combustión por kmol de CH₄ si los productos de combustión salen a 700 K.

15-113 Entra gas propano tC.Hri a una cámara de combustión de flujo estacionario a 1 atm y 25 C y se quema con aire que entra a ia cámara de combustión en el mismo estado. Determine la temperatura de flama adiabática para a) combustión completa con 100 por ciento del aire teórico, b) combustión completa con 300 por ciento del aire teórico y r ) combustión incompleta (algo de CO en los productos) con 95 por ciento del aire teórico.

15-114 Determine la temperatura más alta posible que se puede obtener cuando se quema estacionariamente gasolina líquida (supuesta como C_fH_ls) a 25ⁿC con el aire a 25 C y 1 atm. ¿Cuál sería su respuesta si se usara oxígeno puro a 25*C en vez de aire para quemar el combustible.'

15-115 La combustión de un combustible usualmente da por resultado un aumento de presión cuando el volumen se mantiene constante, o un aumento de volumen si la presión se mantiene constante, debido al aumento en el número de moles y en la temperatura. El aumento de presión o de \ ultimen será máximo cuando la combustión sea completa y cuando ocurra adiabáticamente con la cantidad teórica de aire.

Considere la combustión de vapor de alcohol metílico fC_,H,OH íg)j con la cantidad estequiométrica de aire en una

cámara de combustión de 0,8 L. Inicialmente, la mezcla está a 25 °C y 98 kl’a. Determine a) la presión máxima que puede ocurrir en la cámara de combustión sí la combustión tiene lugar a volumen constante y b) el volumen máximo de la cámara de combustión si la combustión ocurre a presión constante.

15-116 Reconsidere el problema 15-U5. Usando el m¡S software EES (u otro), investigue el efecto del volumen inicial de la cámara de combustión en el rango de 0 I a 2.0 litros ■>obre los resultados. Gratique la presión máxima de la cámara pura combustión a volumen constante o el volumen máximo de la cámara para combustión a presión constante como funciones del volumen inicial.

15-117 Repíta el problema 15-115 usando metano [CH₄ (g)] como combustible en vez de alcohol metílico.

15-118 Una mezcla de 40 por ciento en volumen de metano iCH₄) y 60 por ciento en volumen de propano tC,H₄) se que ma por completo con aire teórico y sale de la cámara de combustión a 100°C. Los productos tienen una presión de 100 kPa y se enfrían a presión constante a 39°C. Trace el diagrama T-s para el vapor de agua que no se condensa, si hay alguno. Cuánta del agua formada durante el proceso de combustión se condensará, en kmol H ,0,'kmol combustible?

Respuesta: 1.96

15-119 Una caldera de vapor de agua calienta agua líquida de 200 ’C a vapor sobrecalentado a 4 MPa y 400 C. Se quema combustible de metano a presión atmosférica con 50 por ciento de exceso de aire, El combustible y el aire entran a la caldera a 25^UC, y los productos de combustión salen a 227'C. Calcule a) la cantidad de vapor que se genera por unidad de masa de combustible que se quema, b) el cambio en la exergía para el flujo de combustible, en kJ/kg combustible, c) el cambio en exergía para el flujo de vapor de agua, en kJ/kg vapor de agua y d) el poiencial de trabajo qué se pierde, en kJ/kg combustible. Tome T₀ = 25 ’C.

Respuestas: a) 18.72 kg vapor,'kg combustible, b) 49 490 kJ/kg combustible, c) 1 039 kJ/kg vapor de agua y d) 30 040 kJ/kg combustible

15-120 Repita el problema 15-119 usando un carbón de Utah que tiene un análisis final tpor masa) de 61.40 por ciento de C, 5.79 por ciento de EL, 25.31 por ciento de 0₂, 1.09 por ciento de N₂, 1.41 por ciento de S y 5.00 por ciento de cenizas ino combustibles). Desprecie el electo del azufre en los balances de energía y entropía.

15-121 Se quema n octano (C_gH₁₈ (?)) con la cantidad este-quiométrica de aire Determine el trabajo máximo que se puede producir, en UVkg combustible, cuando el aire, el combustible y los productos están todos a 25° y 1 atm.

15-122 ¿Cuánto cambiará el trabajo máximo del problema 15-121 cuando se usa 100 por ciento de exceso de aire para la combustión?

Respuesta: 45 870 kJ/ kg combustible

15-123 F. Se quema metano ( CH₄1 con i 00 por ciento de exceso de aire, y 10 por ciento del carbono forma monóxido de carbono. Deicrmme el trabajo máximo que se puede producir, en Btu/lbm combustible, cuando el aire, el combustible y los productos están iodos a 77 F y 1 atm.

donde C es una constante cuyo valor depende de la composición de los gases de combustión y sus calores específicos.

15-124 Una mezcla gaseosa combustible de 30 por ciento de propano (C₃H₃) y 70 por ciento de butano (C₄H_1CI), sobre base volumétrica, se quema en aire de tal manera que la relación aire-combustible es 20 kg aire/kg combustible cuando el proceso es de combustión completa. Determine a) los moles de nitrógeno en el suministro de aire al proceso de combustión, en kmol/kinol combustible, b) los moles de agua que se forman en el proceso de combustión, en kmol/kmul combustible y c) los inoies de oxígeno en los gases productos de combustión.

Respuestas: a) 29.41. b) 4.7. c) 1.77

15-125 El homo de una planta de generación eléctrica dada se puede considerar que consiste en dos cámaras: una cámara de combustión adiabática donde el combustible se quema por completo y adiabáticamente, y un inlercambtador de calor donde el calor se transfiere isotérmicamente a una máquina térmica tic Camot. Los gases de combustión en el intercam-biador de calor se mezclan bien, de modo que el intercambiador de calor esta a una temperatura uniforme en todo momento que es igual a la temperatura de salida de los gases producidos, T_p. La producción de trabajo por la máquina térmica de Camot se puede expresar como

w=<*c-q(>- §)

donde Q es la magnitud de la transferencia de calor a la máquina térmica y T, es la tempetalura del entorno. La producción de trabajo por la máquina de Camot será cero ya sea cuando T_p = T_fu (lo cual significa que los gases de combustión entrarán ai intercambiador de calor y saldrán de él a la temperatura de fiama adiabática T_uja y por tanto Q = 0» o cuando T„ = T₀ tío cual significa que la temperatura de los gases de combustión en el intercambiador de calor será T_u y por tanto rj_c = 0), y alcanzará un máximo en algún punto intermedio. Tratando los gases de combustión como gases ideales con calores específicos constantes y suponiendo que no hay cambio en su composición en el intercambiador de calor, demuestre que la producción de trabajo de ia máquina térmica de Camot será máxima cuando

T_p - V

También demuestre que la producción máxima de la máquina de Camot en este caso es

Combustible

Cámara de combustión adiabática

Aire

Intercambiador de calor t‘ = const,

FIGURA P15-125

15-126 El horno de una planta de generación eléctrica dada se puede considerar que consiste en dos cámaras: una cámara de combustión adiabática donde el combustible se quema por completo y adiabáticamente, y un intercambiador de calor a contracorriente donde el calor se transfiere a una máquina térmica reversible. El tluje másico del fluido de trabajo de la máquina térmica es tal que el fluido de trabajo se calienta de T₀ (la temperatura del entorno) a T_Ja (la temperatura de flama adiabática) mientras los gases de combustión se enfrían de T_h, a T_G. Tratando los gases de combustión como gases ideales con calores específicos constantes y suponiendo que no hay cambio en su composición en el intercambiador de calor, demuestre que la producción de trabajo de esta máquina térmica reversible es

donde C es una constante cuyo valor depende de la composición de los gases de combustión y sus calores específicos.

También demuestre que la temperatura efectiva de flama T_f de este horno es

j _ T_u - Tu

‘ ~ ImTJTfl

Es decir, la producción de trabajo de la máquina térmica reversible sería la misma si el homo antes mencionado se considerara un horno isotérmico a una temperatura constante T_e.

Combustible Aire

Inlercjmhiador de calor

combustión

Entorno

FIGURA P15-126

15-127 ¡5^ Usando el software FES tu otro), determine el IES efecto de la cantidad de aire en la temperatura de flama adiabática de octano líquido (C,H_]g). Suponga que tanto el aíre como el octano están inicialmcnle a ’yf. Determine la temperatura de flama adiabática para 75. 90, 100, ! 20, ISO, 200, 300, 500 y 800 por ciento del aire teórico. Suponga que el hidrógeno en el combustible se quema a H₂0 y el carbón a CO.. salvo cuando hay una deficiencia de aire. En este último caso, suponga que parte del carbono forma CO. Grafi-que la temperatura de flama adiabática contra el porcentaje del aire teórico y explique ios resultados.

15-128 F?S3| Usando el software FES (u otro), escriba un mS programa general para determinar la temperatura de flama adiabática durante la combustión completa de combustible de hidrocarburos (C,.H,„> que entran a 25°C a una cámara de combustión de flujo estacionario, cuando se especifican el porcentaje (le exceso de aíre y su temperatura. Como caso muestra, determine la temperatura de flama adiabática de propano liquido (C)H₈) cuando se quema estacionariamente con 50 por ciento de exceso de aire a 25 C.

15-129 ¡K<3| Usando el software EES tu otro), determine el m£ porcentaje mínimo de exceso de aire que se necesita usar para los combustibles CH₄ (g), C_:H, (g), CH-OH (g), C-.FT (g), C\H,₈ (líquido) si la temperatura de flama adiabática no debe exceder 1 500 K. Suponga que tanto el combustible como el aire entran a la cámara de combustión de flujo estacionario a 25°C.

¹5-139 ¡na Usando el software EES (u otro », repita el pro-■SSblema 15-129 para temperatura Je flama adiabática de .r) 1 200 K. b) 1 750 K y c) 2 000 K.

15-131 Usando software EES (u otro), determine la KKS temperatura de flama adiabática del CH₊(g) cuando tanto el combustible como el aire entran a la cámara de combustión a 25°C para ios casos de 0, 20, 40, 60, 80, 100, 200, 500 y 1 000 por ciento de exceso de aire.

15-132 ££51 L'aanüo el software EES» (u otro), determine el combustible, entre CH, (g), C₂H₂(g), C₂H₆ (g), C,H_k (?), C_sH_]8(líquido), que da la temperatura máxima mando se quema completamente en una cámara adiabática de volumen constante con la cantidad teórica de aire. Suponga que los reactantes están en el estado estándar de referencia.

Problemas para el examen de fundamentos de ingeniería

15-133 Se quema un combustible con 90 por ciento del aire teórico. Esto es equivalente a

a) 10% exceso de aire b) 90 % exceso de aire

c) 10% deficiencia de aire d) 90 % deficiencia de aire e) cantidad estequiométrica de aire

15-134 Se quema propano (C₃H_1S) con 150 por ciento del aire teórico. La relación música aire-combustible para este proceso de combustión es

a) 5.3 b) 10.5 c) 15.7

d) 23.4 e) 39.3

15-135 Un kilomol de metano (CH,) se quema con una cantidad desconocida de aire durante un proceso de combustión. Si la combustión es completa y hay 2 kmol de 0₂ libre en los productos, la relación másica aire-combustible es

a) 34.3 b) 17.2 c) 19.0

d) 14.9 e) 12.1

15-136 Se quema estacionariamente un combustible en una cámara de combustión. La temperatura de combustión será máxima salvo cuando

a) el combustible se preealienta.

b) el combustible se quema con deficiencia de aire.

c) el aire es seco.

d) la can vira de combustión está bien aislada, e! la combustión es completa.

15-137 Una mezcla equimolar de dióxido de carbono y vapor de agua a 1 atm y 60’C entra a una sección de deshumidi-fieaeión donde todo el vapor de agua se condensa y se quita de la mezcla, y el dióxido de carbono sale a 1 atm y 60'C. El cambio de entropía del dióxido de carbono en la sección de deshumidifieaeíón es

a) -2.8 kJ/kg • K b) -0.13 kJ/ke • K

c) 0 d) 0 13 kJ/kg • K

e) 2.8 kJ/kg ■ K

15-138 Se quema metano (CH,,) completamente con 80 por ciento de exceso de aire durante un proceso de combustión de flujo estacionario. Si tanto los reactantes como los productos se mantienen a 25 C y i atm y el agua en los productos existe en forma liquida, la transferencia de calor de la cámara de combustión por unidad de masa de metano es

a) 890 NlJ/kg b) 802 MJ/kg c) 75 MJ/kg

d) 56 MJ/kg e) 50 MJ/kg

15-139 El poder calorífico superior del combustible de hidrocarburos C,H,. con m = S está dado como 1 560 VU/kmol de combustible. Entonces, su poder calorífico inferior es

a) 1 384 MJ/kmol b) 1 208 MJ/kmol

c) 1 402 MJ/kmol d) 1 514 MJ/kmol

e) 1 551 MJ/kmol

15-140 Se quema gas acetileno (,C-,H,j por completo durante un proceso de combustión de flujo estacionario. El combustible y el aire entran a la cámara de combustión a 25°C y los productos salen a 1 500 K, Si la entalpia de los productos con relación al estado estándar de referencia es —404 MJ/kmol de combustible, la transferencia de calor de la cantara de combustión es

a) 177 MJ/kmol b) 227 MJ/kmol c) 404 MJ/kmol

d) 631 MJ/kmol e) 751 MJ/kmol

15-141 Se quema gas benceno (C„H,,) con 90 por ciento de aire teórico durante un proceso de combustión de flujo estacionario. La fracción molar de CO en los productos es

a) 1.6% ¿)4.4% c) 2.5%

d) 10 % e) 16.7%

15-142 Un combustible se quema durante un proceso de combustión de flujo estacionario. Se pierde calor al entorno a 300 K a razón de 1 120 kW La entropía de los reactantes que entran por unidad de tiempo es 17 kVV/K, y la de los productos es 15 kW/K. La tasa total de destrucción de exergía durante este proceso de combustión es

a) 520 kW b) 600 kW c) 1 120 kW

d) 340 kW e) 739 kW

Problemas de diseño y ensayo

15-143 La eliminación segura de materiales de desecho peligrosos es una preocupación ambiental de gran importancia para las sociedades industrializada?», y crea problemas retadores para los ingenieros. Los métodos de eliminación que se usan comúnmente incluyen el rellenado de terrenos, entena-miento bajo tierra, el reciclaje y la incineración o quemado. La incineración se usa frecuentemente como un medio práctico de eliminación de desechos combustibles tales como materiales orgánicos. Los reglamentos de la EPA exigen que el material de desecho se queme casi por completo por encima de una temperatura especificada sin contaminar el ambiente. Para mantener la temperatura por encima de un cierto nivel, típicamente alrededor de 1 100°C. se necesita usar un combustible cuando la combustión del material de desecho por sí solo no es suficiente para obtener la temperatura mínima especificada.

Cierto proceso industrial genera una solución líquida de etatiul y agua como producto de desecho a razón de 10 kg/s. La fracción másica de etanol en la solución es 0.2. Esta solución se va a quemar usando metano como combustible (CH.,) en una cámara de combustión de flujo estacionario. Proponga un proceso de combustión que cumpla esta tarea con una cantidad mínima de metano. Exprese sus suposiciones.

15-144 Obtenga la siguiente información acerca de la planta termoeléctrica más cercana a su ciudad: la producción neta de potencia; el tipo y la cantidad de combustible; la potencia que consumen las bombas, los ventiladores y otros equipos auxiliares: pérdidas en gases de chimenea, y la tasa de rechazo de calor en el condensador. Usando estos datos, determine la tasa de pérdida de calor de los tubos y otros componentes, y calcule la eficiencia térmica de la planta.

15-145 Una planta termoeléctrica usa un carbón de Ponsil-vania que tiene un análisis final (por masa) de 84.36 por ciento de C, 1.89 por ciento de H -, 4.40 por ciento de O,. 0.63 por ciento de N„ 0.89 por ciento de S y 7.83 por ciento de cenizas (no combustibles), como combustible para sus calderas. La planta está cambiando del carbón de Pensilvania a un carbón de Illinois que tiene un análisis final (por masa) de

67.40 por ciento de C, 5.31 por ciento de H_;, 15.11 por ciento de 0_:, 1.44 por ciento de N₂, 2.36 por ciento de S y 8.38 por ciento de cenizas (no combustibles), como combustible para sus calderas. Con el carbón de Pensilvania las calderas usaban 15 pur ciento de exceso de aire. Desarrolle un programa para el nuevo carbón que muestre el calor liberado, la temperatura de punto de rocío en la chimenea, la temperatura de flama adiabática y la producción de dióxido de carbono para varias cantidades de exceso de aire. Use este programa para determinar cómo operar con el nuevo carbón en condiciones tan cercanas a las del viejo carbón como sea posible. ¿Hay algo más que se tendrá que cambiar para usar el nuevo carbón?

15-146 Una caldera de vapor de agua está diseñada para convertir agua líquida saturada a 3 500 kPa en vapor a 3 450 kPa y 4t)0 C. Esta caldera quema gas natural (es decir, metano) a I atm y 25°C. El aire de combustión también se suministra a 1 atm y 25 C El flujo del aíre de combustión se ajusta para mantener la temperatura de los productos de combustión a 300°C. Sobre una base comtín de 1 kilogramo de vapor producido, calcule el cambio en la exergía para los flujos de agua y de gases de combustión para cantidades de exceso de aire que van de 0 a 200 por ciento. También calcule las pérdidas de exergía en esta caldera, variando la cantidad del exceso de aire.

15-147 Reconsidere el problema 15-146. Ahora se agrega a la caldera un economizador (un intercambiador de calor que precalíenta el aire de combustión al enfriar los productos de combustión), y así se reduce la temperatura de los productos de combustión a 200'C Todos los demás factores quedan iguales. A través del econumizador pasa aire a 1 atm y 25’C donde se calienta untes de entrar a la caldera. Compare la pérdida de exergía de la combinación economizador-caldera con la de la caldera sola en el problema anterior, variando la cantidad del exceso de aire.

PROBLEMAS¹

K_p y la composición de equilibrio de ios gases ideales

16-lC ¿Por que el criterio de equilibrio químico se expresa en términos de la función de Gibbs en vez de la entropía? I6-2C ¿Una tabla de madera está en equilibrio químico con el aire?

Í6-3C Escriba tres diferentes relaciones de K_p para mezclas reactantes de gases ideales y diga cuándo se debe usar cada relación.

16-40 La constante de equilibrio para la reacción C + Í0₂ s=^í CO a 100 kPa y 1 600 K es K_P. Use esta información para encontrar la constante de equilibrio para las siguientes reacciones a 1 600 K:

a) alOOkPa C 4- ¡O CO

b) a 500 kPa C + sO. CO

c) alOOkPa 2C 40, 2CO

d) a 500 kPa 2CO 2C 4- 0₂

16-5C La constante de equilibrio para la reacción H, 4- =¡0₂ =*=* H,0 a 1 atm y 1 200 K es K_p Use esta información para determinar la constante de equilibrio para las siguientes reacciones:

H, 4- ' Oí H_?0

a) a 1 atm

b) a 7 atm

H, 4- jO¿ 3H,0 — 311,0 —

— H ,0 3H₂ + :0. 3H, 4 -O.

c) a 1 atm

d) a 12 atm

16-6C Considere una mezcla de NO. 0_; y N₂ en equilibrio a una temperatura y una presión especificadas. Ahora se triplica la presión.

o) ¿Cambiará la constante de equilibrio K_P?

b) ¿Cambiará el número de moles de NO, O, y N₂? ¿Cómo? 16-7C Una cámara de reacción contiene una mezcla de CO-, CO y O, en equilibrio u una temperatura y a una presión especificadas. ¿Cómo afectará al número de moles de CO-a) el aumento de la temperatura a presión constante y b) el aumento de la presión a temperatura constante?

I6-8C lina cámara de reacción contiene una mezcla de N₂ y N en equilibrio a una temperatura y una presión especificadas. ¿Cómo afectará al número de moles de N₂ a) el aumento de la temperatura a presión constante y ¿» el aumento de la presión a temperatura constante?

16-9C Una cámara de reacción contiene una mezcla de C0₂, CO y O, en equilibrio a una temperatura > una presión especi-ficaüav Ahora se agrega algo de N_; a la mezcla mientras la lemperatura y la presión se mantienen constantes. ¿Afectará esto el número de moles de O,? ¿.Cómo?

16-lOC ¿Que elemento tiene más probabilidades de disociarse a su forma monoatómica a 3 000 K, el H₂ o el N₂? ¿Por qué?

16-11 l'na mezcla de gases ideales consiste en los siguientes gases por fracción molar: 10 por ciento CO60 por ciento H.O y 30 por ciento CO. Determine la función de Gibbs del CO en la mezcla cuando la presión de la mezcla es de 10 atm y su temperatura es de 800 K.

10% CO, 60% H,Ó 30% CO lOalm 800 K.

FIGURA P16-11

16-12 Una mezcla de gases ideales se prepara en un tanque rígido que inicialmente está al vacío y se mantiene a una temperatura constante de 25 C' Primero se agrega nitrógeno hasta que la presión es de 130 kPu; en seguida se agrega dióxido de carbono hasta una presión de 230 kPa, y finalmente se agrega NO hasta una presión de 330 kPa. Determine la función de Gibbs del nitrógeno en esta mezcla. Reapuesta: 617 KJ'kmo

16-13E Use la función de Gibbs para determinar la constante de equilibrio de la reacción H,0 h₂ 4 ₂0. ti) a

1 440 R y b) a 3 960 R. ¿Cómo se comparan éstas con las constantes de equilibrio de la tabla A-28?

16-14 La creadora de un nuevo dispositivo afirma que puede producir gas hidrógeno por medio de la reacción reversible 2H0 2H_, 4 O,. Determine las fracciones

molares del hidrógeno y el oxígeno que se producen cuando

ocurre la reacción a 4 000 K y 10 kPa.

Respuestas: 0.560 (H₂), 0.280 ¡0_r)

16-15 Considere la reacción 2H_?0 2H, + O, a

4000 K y 10 kPa. <.Lu cantidad de gas hidrógeno producida aumentará cuando la reacción ocurra a 100 kPa en vez de 10 kPa?

16-16 Considere la reacción 2H.0 211. + O, a

4 (XX) K y 10 kPa. ¿Cómo cambiará la cantidad de gas hidrógeno producida si se mezcla nitrógeno inerte con el vapor de agua de modo que la fracción molar original del nitrógeno sea 20 por ciento?

16-17E ¿A qué temperatura se disociará en 15 por ciento el oxígeno a) a 3 psia y b) IU0 psia?

Respuestas: a) 5 508 R, b) 6 662 R

16-18 Determine la composición de los productos de la reacción de disociación 00, CO 4- O cuando ¡os pro

ductos están a 1 aun y 2 500 K. Nota-. Primero evalúe la K_p do esta reacción usando valores K_P de las reacciones CO, *=*

CO - f O, y 0.50,

16*19 Considere la reacción de disociación CO, CO

+ O a 1 atar y 2 500 K, Ahora se agregan 3 moles de nitrógeno al mol de CO-,. Determine la composición de equilibrio de los productos a la misma temperatura y a la misma presión con el nitrógeno adicional. Nota: Evalúe primero la K_p de ota reacción usando los valores de K_P de las reacciones C0₂ CO + 10₂ y 0.5O₂ o.

16-20 Demuestre que mientras el grado de avance de la reacción, a, para la reacción de disociación X₂ s==* 2X sea menor que uno, or está dada por

16-21 Una mezcla gaseosa de 50 por ciento (por fracción molar) de metano y 50 por ciento de nitrógeno se calienta a 1 000 K manteniendo su presión a 1 atm. Determine la composición de equilibrio (por fracción molar) de la mezcla resultante. ti logaritmo natural de la constante de equilibrio para la reacción C + 2H, *=* CH₄ a 1 000 K es 2.328.

Respuestas. 0.006 (CH₄). 0.247 c), 0.494 1H₂), 0.253 <N_r)

16-22 La reacción N₂ + Ü₂ 2NO ocurre en los

motores de combustión interna. Determine la fracción molar de equilibrio del NO cuando la presión es 101 kPa y la tem peratura es 1 000 K.

16-23 Un kmol de oxigeno se calienta de 1 atm y 298 K a 10 atm y 2 200 K, Calcule la cantidad total de transferencia de calor que se necesita, en kJ/kmol, si á) se desprecia la disociación y b) se considera la disociación.

16-24 El oxigeno del problema 16-23 se reemplaza por aire. Compare la transferencia total de calor necesaria, en kJ/kg, para calentar este aire de la misma manera a) despreciando la disociación y b) incluyendo la disociación.

Respuesta: b) 1 660 kJ/kg

16-25 Usando los datos de la función de Gibbs, determine la constante de equilibrio K_P para la reacción H, + ¿O,

H .ü a) a 298 K y b) a 2 000 K. Compare sus resultados con los valores de K_p listados en la tabla A-28.

16-26F Usando los datos de la función de Gibbs, determine la constante de equilibrio K_P para la reacción H₂ + ío₂ H-O a) a 537 R y b) a 3 240 R. Compare sus resultadas con ios valores de K_P listados en la tabla A-28.

Respuestas: a) 1.12 xlO⁴⁰. b) 1.90 x 10⁴

16-27 Determine la constante de equilibrio K_P para el proceso CO + l0₂ — CO- a) a 298 K y b) a 2 000 K. Compare sus resultados con las valores de listados en la tabla A-28.

16-28 rpjl Estudie el efecto de variar el porcentaje de ex-■BSceso de aire durante la combustión de hidrógeno en un proceso de flujo estacionario a una presión de 1 atm. ¿A qué temperatura se quemará a agua el 97 por ciento del H,? Suponga que la mezcla de equilibrio consiste en HO, H,, 0\ y N₂.

16-29 Determine la constante de equilibrio K_p para la reacción CH, + 20, ^ CO_; + 2H,0 a 25“C.

Respuesta: 1.96 x 10¹⁴⁰

16-30 Usando los datos de la función de Gibbs. determine la constante de equilibrio K_P para el proceso de disociación C0₂ =?=* CO 1 ¿O, ti) a 298 K y b) a 1 800 K. Compare su, resultados con los valores K_P listados en la tabla A-28.

16-31 ,-3s Se quema monóxido de carbono con 100 por «> ciento de exceso de aire durante un proceso de flujo estacionario a una presión de 1 atm. ¿A qué temperatura se quemará a CO, el 97 por ciento del CO? Suponga que la mezcla de equilibrio consiste en CO-, CO, O, y Ñ₂.

Respuesta.- 2 276 K

16-32 Reconsidere el problema 16-31. Usando el soft-Ktti ware EES (u otro), estudie el efecto de variar el porcentaje de exceso de aire durante el proceso de flujo esta cionario. de 0 a 200 por ciento, sobre la temperatura a la cual el 97 por ciento del CO se quema a CO,. Grafique la temperatura contra el porcentaje de exceso de aire, y explique los resultados.

16-33E Repita el problema 16-31 usando los datos en unidades inglesas.

16-34 Se quema hidrógeno con 150 por ciento de aire tcorico duranre un proceso de flujo estacionario a una presión de 1 atm. ¿A qué temperatura se quemará a H,0 el 98 por ciento del H,? Suponga que la mezcla de equilibrio consiste en H,0. H₂, O, y N₂.

16-35 Se calienta a 2 000 K aire (79 por ciento de N, y 21 por ciento de O,), a una presión constante de 2 atm. Suponiendo que la mezcla de equilibrio consiste en N₂, O, y NO, determine la composición de equilibrio en este estado. ¿E, realista suponer que no estará presente oxígeno monoatómico ni nitrógeno monoatómico en la mezcla de equilibrio? ¿Cambiará la composición de equilibrio sí la presión se duplica a temperatura constante7

16-36 Se calienta a 3 200 K hidrógeno (H₂) a una presión constante de 8 atm Determine el porcentaje de H, que se disociará a H durante este proceso. Respuesta: 5.0 por ciento

16-37E Una mezcla Je 2 mol de CO. 2 mol de O- y 6 mol de N₂ se calienta a 4 320 R a una presión de 3 atm. Determine la composición de equilibrio de la mezcla.

Respuestas: 1.9303 , 0.07C0, 1.0350; . 6N₂

16-38 Una mezcla de 3 moles de N,, 1 mol de O, y 0.1 mol de Ar se calienta a 2 400 K a una presión constante de 10 atm. Suponiendo que la mezcla de equilibrio consiste en N_:, O,. Ar y ÑO. determine la composición de equilibrio.

Respuestas: 0.0823N0, 2.9589N,, 0.95890₂, O.lAr

16-39 Determine la fracción molar de sodio que se ioniza de acuerdo con la reacción Na Na* 4 e~ a 2 000 K y 0.8 atm (K_P — 0.668 para esta reaccióni.

Respuesta: 67.5 por ciento

16-40 Entra propano líquido (C₃H₈) a una cámara de combustión a 25 C, a razón de 1.2 kg/min. En la cámara se mezcla y se quema con 150 por ciento de exceso de aire que entra a la cámara de combustión a 12°C Si los gases de combustión consisten en CO,, H,0, CO, O, y N. y salen a 1 200 K y 2 atm. determine a) la composición de equilibrio de los gases productos de combustión y b) la tasa de transferencia de calor de la cámara de combustión. ¿Es realista despreciar la presencia del NO en los gases de combustión?

Respuestas: a) 3CO_:, 7.50-, 4H-0, 47N-, b) 5 066 kJánin

C,H„	Cámara	1 200 K
25°C AIRF.
	Je combustión 2 atm
I2*C

equilibrio de la mezcla suponiendo que sólo están presentes CO-, CO, o , y O.

16-49 Se calienta aire (21 por ciento O,, 79 por ciento N,) a 3 000 K a una presión de 2 atm. Determine la composición de equilibrio, suponiendo que sólo están presentes O,, N,, O y NO. ¿Es realista s aponer que no estará presente nada de N en la mezcla final de equilibrio?

Centrad

FIGURA P16-40

()₂. Ni, O, NO 3 000 K

AIRli

Cámara de itíacción

16-41 Tg» Reconsidere el problema 16-40, Usando el soft-S*,- ware EES (u otro), investigue si es realista despreciar la presencia de N'CI en los gases de combustión.

16-42 Se calienta oxígeno (O.) en un proceso de flujo estacionario, a 1 aun, de 298 a 3 000 K. a razón de 0.5 kg/min. Determine la tasa de suministro de calor que se necesita durante este proceso, suponiendo que ti) se disocia a O algo de O-, y h) no hay disociación. .

Ce, itrida

02	*	O,. O
29SK		3 000 K

FIGURA P16-42

16-43 Estime K_P para la siguiente reacción de equilibrio a

2 500 K:

CO - H,0 - C0₂ + H,

A 2 000 K se sabe que la entalpia de la reacción es -26 176 kJ/kmol y K_P es 0.2209. Compare su resultado con el valor obtenido al usar la definición de constante de equilibrio.

16-44 Un tanque de volumen constante contiene una mezcla de 1 kmol H₂ y l kmol O, a 25"C y l atm. El contenido se enciende. Determine la presión y la temperatura finales en el tanque cuando les gases de combustión son 11,0, H, y O,.

Reacciones simultáneas

16-45C ¿Cuál es el criterio de equilibrio para sistemas que incluyen dos o más reacciones químicas simultáneas?

16-46C Al determinar la composición de equilibrio de una mezcla que incluye reacciones simultáneas, ¿cómo determinaría usted el número de relaciones de K¡> que se necesitan?

16-47 Un mol de H_;0 se calienta a 3 400 K a una presión de 1 atm. Determine la composición de equilibrio, suponiendo que sólo están presentes H,0, OH. O- y H₂.

Respuestas: 0.574H₂O, 0.308H₂, 0.0950-, 0Í236OH

lft-48 Una mezcla de 2 mol CO, y 1 mol 0₂ se calienta a

3 200 K a una presión de 2 atm. Determino la composición de

FIGURA P16-49

16-50E . Se calienta aire (21 por ciento O,. 79 por tíj ciento Ni) a 5 400 R a una presión de 1 atm. Determine la composición de equilibrio suponiendo que sólo están presentes 0₂, N>, O y NO. ¿Es realista suponer que no estará presente nada de N en In mezcla final de equilibrio?

16-51E PK| Reconsidere el problema 16-50E. Use el soft-■Cti ware EES (u otroj para obtener la solución del equilibrio. Compare su técnica de resolución con la que se usó en el problema 16-50E.

16-52 Se calienta vapor de agua (H,0) durante un proceso de flujo estacionario a I atm, de 298 a 3 000 K, a razón de 0.2 kg/min. Determine la tasa de suministro de calor necesaria durante este proceso, suponiendo que a) algo del H,0 se disocia en H₂, O, y OH, y b) no ocurre ninguna disociación. Respuestas: a) 2 055 kJ/min, b) 1 404 kJ/min

16-53 rrg Reconsidere el problema 16-52. Usando el soft-k3s ware EES (u otro), estudie el efecto de la temperatura final sobre la tasa de calor suministrado para los dos casos. Haga variar la temperatura final de 2 500 a 3 500 K. Para cada uno de los dos casos, grafique la tasa de suministro de calor como función de la temperatura final,

16-54 PRjJ Se quema alcohol etílico (C₂H₅OH (g)) a 25³C ■Se en una cámara de combustión adiabática de flujo estacionario con 40 por ciento de exceso de aire que también entra a 25‘C. Determine la temperatura de flama adiabática de los productos a 1 atm, suponiendo que las reacciones significativas de equilibrio son CO- = CO + =¡0₂ y JN₂ + sO, = NO. Grafique la temperatura de flama adiabática y los kmoles de CO-, CO y NO en equilibrio para valores de porcentaje de exceso de aire entre 10 y 100 por ciento.

Variaciones de K_P con la temperatura

16-55C ¿Cuál es la importancia de la ecuación de Van't Hoff?

16-56C ¿Un combustible se quemará más completamente a 2 000 o a 2 500 K?

16-5" Estime la entalpia de reacción h_K para 837el proceso de combustión de monóxido de carbono a 2 200 K, usando u) datos de entalpia y b) datos de K_P.

16-58F Estime la entalpia de reacción h_H para el proceso de combustión de monóxido de carbono a 3 %U R, usando

a) datos de entalpia y i» datos de K_P.

Respuestas: a) -119 030 Btu/lbmol, b) 119 041 Btu/lbmol

16-73 Una mezcla líquido-vapor de refrigerante 134a está a — 10°C con una calidad de 40 por ciento. Determine el valor de la función de Gibbs, en kJ/kg, cuando las dos fases están en equilibrio. Respuesta: -2.25 kJ/kg

16-59 Usando los dalos de entalpia de reacción h_R y el valor de K_P a 2 400 K, estime el valor de K_p del proceso de combustión H. + lO, 110 a 2 600 K.. Respuesta: 104.1

16-60 Estime la entalpia de reacción h_k para el proceso de disociación C0₂ CO+-10_: a 2 200 K. usando a) datos

de entalpia y b) datos de K_p.

16-61 Estime la entalpia de reacción h_R para el proceso de disociación O, 20 a 3 100 K, usando a) datos de

entalpia y b) datos de A',..

Respuestas: a) 513 614 kJ/kmol, b) 512 808 kJ/kmol

16-62 Estime la entalpia de reacción para la reacción de equilibrio í’H₄ + 20 C0₂ + 2H,0 a 2 500 K.

usando d) datos de entalpia y b) datos de K¡>.

Equilibrio de fases

16-63C Considere un tanque que contiene una me/cla de vapor y líquido saturados de agua en equilibrio. Ahora se deja escapar a una parte de vapor del tanque a presión y temperatura constantes. ^Perturbará esto el equilibrio de fases y ocasionará que se evapore algo del líquido?

16-64C Considere una mezcla de dos fases de amoniaco y agua en equilibrio. ¿Puede existir esta mezcla en dos fases a la misma temperatura pero a diferente presión?

16-65C Usando los dalos de solubilidad de un sólido en un líquido especificado, explique cómo determinaría la fracción molar del sólido en el líquido en la intertáse a una temperatura especificada.

16-66C Usando datos de solubilidad de un gas en un sólido, explique cómo determinaría la concentración molar del gas en el sólido en la intertáse sólido-gas a una temperatura especificada.

16-67C Usando los datos de la constante de Henry para un gas disuelto en un liquido, explique cómo determinaría la fracción molar del gas disuelío en el líquido en la interfase a una temperatura especificada.

16-68 Demuestre que una mezcla de agua líquida saturada y vapor saturado de agua a 100°C satisface el criterio para equilibrio de tases.

16-69 Demuestre que una mezcla de agua líquida saturada y vapor saturado de agua a 300 kPa satisface el criterio para equilibrio de fases.

16-70 Demuestre que una mezcla de. líquido y vapor saturado» de refrigerante 134a a — 1Ü°C satisface el criterio para equilibrio de fases.

16-71 Considere una me/cla de oxígeno y nitrógeno en fase gaseosa. ¿Cuántas propiedades independientes se necesitan para fijar el estado del sistema? Respuesta: 3

16-72 Calcule el valor de la función de Gibbs para refrigerante 134a saturado a 0 C como líquido saturado, xapor saturado y una mezcla de líquido y vapor con una calidad de 30 por ciento. Demuestre que existe el equilibrio de fases.

'■ M i = 0.4

FIGURA P16-73

16-74 ¿A que temperatura tendrá la fase gaseosa de una mezcla de oxígeno y nitrógeno a 100 kPa una fracción molar de nitrógeno de 30 por ciento? ¿Cuál es la fracción másica del oxígeno en la tase líquida a esta temperatura?

16-75 Una mezcla de amoniaco y agua está a 10 C. Determine la presión del vapor de amoniaco cuando la fracción molar del amoniaco en el líquido es a) 20 por ciento y b) 80 por ciento. La presión de saturación del amoniaco a 10°C es 615.3 kPa.

16-76 Considere una mezcla líquido-vapor de amoniaco y agua en equilibrio a 25°C. Si 3a composición de la fase líquida es 50 por ciento de NH_, y 50 por ciento de H,0 por números de moles, determine la composición de la fase de vapor de esta mezcla. La presión de saturación del NH_S a 25°C es 1 003.5 kPa. Respuestas: 0.31 por ciento, 99.69 por ciento

16-77 Una mezcla de dos tases de amoniaco y agua está en equilibrio a 50X’ Si la composición de la fase de vapor es 99 por ciento de Nti, y l por ciento de H,0 por números de moles, determine la composición de la fase liquida de esta mezcla. La presión de saturación del NU, a 50 C es 2 033.5 kPa.

16-78 Usando el diagrama de equilibrio líquido-vapor de una mezcla de oxigeno y nitrógeno, determine la composición de cada fase a 84 K y 100 kPa.

16-79 Usando el diagrama de equilibrio líquido-vapor de una mezcla de oxígeno y nitrógeno a 100 kPa, determine la temperatura a la que la composición de la fase de vapor es 79 por ciento de N₂ y 21 por ciento de 0_;. Respuesta: 82 K

16-80 Usando el diagrama de equilibrio líquido-vapor de una mezcla de oxígeno y nitrógeno a HH) kPa, determine la temperatura a la que la composición de la fase de vapor es 30 por ciento de N, y 70 por ciento de O,.

16-81 Una pared de caucho natural separa gases O, y N, a 25-"C y 500 kPa, Determine las concentraciones molares de O, y N₂ en la pared.

16-82 Una unidad de refrigeración por absorción de amoniaco en agua opera su absorbedor a (PC y su generador a 46 C. L.a mezcla de vapor en el generador y en el absorbedor debe tener una fracción molar de amoniaco de 96 por ciento. Suponiendo comportamiento ideal, determine la presión de operación en a) el generador y b) el absorbedor. También determine la fracción molar del amoniaco en c) la mezcla líquida fuerte que se bombea del absorbedor y di la mezcla líquida débil que se drena del generador. La presión de saturación del amoniaco a 0°C es 430.6 kPa, y a 46 ^:C es I 830.2 kPa. Respuestas: a) 223 kPs. b) 14.8 kPa, c) 0.033. d) 0.117

Generador

16-83 Vuelva a resolver el problema 16-82 cuando la temperatura en el absorbedor aumenta a 6 C y la temperatura en el generador se reduce a 40°C. La presión de saturación del amoniaco a 6^rC es 534.8 kPa y a 40 C es 1 556.7 kPa,

£6-84 Los productos espumosos corno la crema de afeitar se hacen con mezclas líquidas cuyos ingredientes son principalmente agua y un refrigerante como e! refrigerante 134a. Considere una mezcla líquida de agua y refrigerante 134a con una fracción másica de agua de 90 por ciento que está a 20'C. <,Cuál es la fracción molar del vapor de agua y vapor de refrigerante 134a en el gas que llena las burbujas que forman la espuma? Respuestas: 0.173 (H₂0), 0.827 (R 134a)

16-85E Una Ibntol de refrigerante 134a se mezcla con una Ibmol de agua en un recipiente cerrado que se mantiene a 14.7 psia y 77⁼C, Determine la fracción molar del refrigerante 134a en la fase liquida y en la fase de vapor.

16-86 Considere un vaso con agua en un cuarto a 2⁷ C y 97 kPa. Si la humedad relativa en el cuarto es 100 por ciento y el agua y el aire están en equilibrio térmico y de fases, determine

a) la fracción molar de vapor Je agua en el aire y b) la fracción molar de aire en el agua.

lb-87 Considere un refresco carbonatado en una botella a 27 ^:C y 130 kPa. Suponiendo que el espacio gaseoso arriba del líquido consiste en una mezcla saturada de CO-, y vapor de agua, y considerando el refresco corno agua, determine a i la fracción molar de vapor de agua en el gas CO, y b\ la masa de CO, disuelto en un refresco de 3ik) mL.

Problemas de repaso

16-88 Usando los datos de la función de Gihbs. determine la constante de equilibrio k'_P para el proceso de disociación O, 20 a 21*0 K. Compare su resultado con el valor de K_P listado en la tabla A-28. Respuesta: 4 4 x io~⁷

16-89 Una mezcla de 1 mol de H, y 1 moi Je Ar se calienta a presión constante de 1 atm hasta que 15 por ciento del H, se disocia en hidrógeno monoatómico (H). Determine la temperatura final de la mezcla

16-90 Una mezcla de 1 mol de H O. 2 moles de O, y 5 moles de N₂ se calienta a 2 200 K a tina presión de 5 atm. Suponiendo que la mezcla de equilibrio consiste en H_?0. O,, N, y H₂, determine la composición de equilibrio en este estado. ¿Es realista suponer que no habrá OH presente en la mezcla de equilibrio?

16-91 Se quema gas metano (CH₄) a 25^rC con la can-

cVv' tidad estequiométrica de aire durante un proceso de combustión adiabática de flujo estacionario a 1 atm. Suponiendo que los gases de combustión consisten en CO„ H.O, CO, N, y O,, determine ti) la composición de equilibrio de los gases productos de combustión y b) la temperatura de salida.

16-92 Reconsidere el problema 16-91. Usando el soft-

ware h£S (u otro), estudie el efecto del exceso de aire en la composición de equilibrio y la temperatura de salida variando el porcentaje de exceso de aire de 0 a 200 por ciento. Grafique la temperatura de salida contra el porcentaje de exceso de aire, y explique los resultados.

16-93 Determine la constante de equilibrio para la reacción CH₄ + 20 , s=ⁱ CO, + 211,0 cuando la reacción ocurre a 100 kPa y ? 000 K. Los logaritmos naturales de la constante de equilibrio para las reacciones C + 2H, CH, y C +

O, CO, a 2 000 K son 7.847 y 23.839, respectiva

mente.

16-94 Reconsidere el problema 16-93. ¿Cuál es la fracción molar de equilibrio del vapor de agua?

16-95 Considere la reacción CH, + 20, CO. +

211,0 cuando la reacción ocurre a 700 kPa y 3 000 K. Determine la presión parcial de equilibrio del dióxido de carbono. Los logaritmos naturales de las constantes de equilibrio de las reacciones C + 2H, CH, y C + O- s^==!; CO, a

3 000 K. son 9.685 y 15.869, respectivamente.

Respuesta: 230 kPa

16-96 Diez kmol de gas metano se calientan de 1 atm y 298 K a 1 atm y 1 000 K. Calcule la cantidad total de transferencia de calor necesaria cuando u) se desprecia la disociación y b) cuando se considera la disociación. El logaritmo natural de la constante de equilibrio para la reacción C f 2H, CH₄

a 1 000 K es 2.328. Para la solución de la parte a), use coeficientes empíricos de la tabla A-2<; Para la solución de la parte

b), use calores específicos constantes y tome los calores específicos a volumen constante del metano, el hidrógeno y el carbono a 1000 K como 63.3. 21.7 y 0.711 kí/kmol - K, respectivamente. El calor específico a volumen constante del metano a 298 K es 27.8 kJíkmol • K.

16-97 Se quema carbono sólido a 25°C con una cantidad fstequiométrica de aire que está a una presión de 1 atm y 25‘ C. Determine el número de moles de CO_; que se forman por kmol de carbono cuando sólo están presentes en los producios CO-., CO. O. y N, y los productos están a 1 atm y 727°C.

16-98 Determine la cantidad de calor liberada por kilogramo de carbono por la combustión del problema 16-97.

Respuesta: 23 280 kJ/kg carbono

16-99 Se quema gas metano con 30 por ciento de exceso de aire. Este combustible entra a un quemador de flujo estacionario a 101 kPa y 25 C, y se mezcla con el aire. Los productos de combustión salen de este quemador a 101 kPa y 1 600 K. Determine la composición de equilibrio de los productos de combustión, y la cantidad de calor liberada por esta combustión, en kJ/kmol metano.

Csnlida

CR,	Cámara Je combustión
zrc	Cámara Je combustión
30S£ exceso de aire	1 atm
25°C	1 atm
	FIGURA P16-99

CO-. H.0 N0.0₂,N, 1 6(X) K

16-100 Se quema gas prorano estacionariamente a una pre sión de 1 atm con 30 por ciento de exceso de aire, u) ¿Cuál es la composición de equilibrio (por fracción molar) de los productos resultantes de combustión si la temperatura es 1 600 K y los productos contienen algo de NO? b) ¿Cuánto calor se libera por kg de propano en este proceso de combustión? Respuestas: a) 3CO-, 4H-0, 0.0302NO. 1.4850,, 24.19N_

b) 14 870 kJ/Kg propano

16-101U Se quema octano gaseoso con 40 por ciento de exceso de aire en un motor de automóvil. Durante la combustión, la presión es de 600 psia y la temperatura llega a 3 600 R, Determine la composición de equilibrio de los productos de combustión.

Cámara de combustión

CO,. H,0 NO, Oí, Ni 3 600R

40C exceso de aire

600 psia

FIGURA P16-101E

16-102 Una mezcla de 2 moles de H.O y 3 moles de O, se calienta a 3 600 K a una presión de 8 atm. Determine la composición de equilibrio de ta mezcla, suponiendo que sólo están presentes H,0. OH, O y H₂.

16-103 Una mezcla de 3 moles de CO, y 3 moles de 0₂ se calienta a 3 400 K a una presión de 2 atm. Determine la composición de equilibrio de la mezcla, suponiendo que sólo están presentes C0₂, CO, O, y O.

Respuestas■ 1.313C0₂, 1.687C0, 3.1870;, y 1,3140

16-104 'jjgi Reconsidere el problema 16-103. Usando el KaS software EES (u otro), estudie el efecto de la presión en la composición de equilibrio variando la presión de 1 atm a 10 atm. Grafique la cantidad de CO presente en el equilibrio como función de la pres ión.

16-105 Estime la entalpia de reacción h_R para el proceso de combustión de hidrógeno a 2 400 K. usando a) datos de entalpia y b) datos de K,„

Respuestas: a) -252 377 kJ/kmol, ó) -252 047 kJ/kmol

16-106 Reconsidere el problema 16-105. Usando el Ifis software EES (u otro), investigue el efecto de la temperatura en la entalpia de reacción usando ambos métodos variando la temperatura de 2 000 a 3 000 K.

16-107 Usando los datos de la entalpia de reacción h_H y el valor de K_P a 2 800 K, estime el valor de A.',, del proceso de disociación O, 20 a 3 0(X! K.

16-108 Demuestre que, cuando las tres fases de una sustancia pura están en equilibrio, la función de Gibbs especifica de cada fase es la misma.

16-109 Demuestre que, cuando dos fases de un sistema de dos componentes están en equilibrio, la función de Gibbs específica de cada fase de cada componente es la misma.

16-110 Un tanque de volumen constante contiene inicial-mente un kmol de monóxido de carbono CO y 3 kmol de oxígeno O, (no hay nitrógeno) a 25"C y 2 atm. Ahora se enciende la mezcla y el CO se quema por completo a dióxido de carbono CO_;. Si la temperatura final en el tanque es de 500 K, determine la presión final en el tanque y la cantidad de transferencia de calor. ¿Es realista suponer que no habrá CO en el tanque cuando se alcance el equilibrio químico?

16-111 Usando la ley de Henry, demuestre que ios gases disueltos en el líquido se pueden expulsar calentando el líquido.

16-112 Un refresco carbonatado está totalmente cargado con gas CO_: a 17 C y 600 kPa, de manera que toda la masa de refresco está en equilibrio termodinámico con la mezcla de CO, y vapor de agua. Ahora considere una botella de soda de 2 L. Si el gas CO. en esa botella se fuera a liberar y a almacenar en un contenedor a 20^CC y 100 kPa, determine el volumen del contenedor,

16-113 Se quema alcohol etílico (C,H,OH (g)) a 25°C GnE en una cámara de combustión adiabática de fliijo estacionario con 40 por ciento de exceso de aire que también entra a 25 ^CC. Determine la temperatura de flama adiabática de los productos a 1 atm, suponiendo que la única reacción significativa de equilibrio es C0₂ = CO + *0₂. Grafique la temperatura de llama adiabática al variar el porcentaje de exceso de aire de 10 a 100 por ciento.

¹⁶¹¹⁴ EOS

Se desea controlar la cantidad de CO en los productos de combustión de octano C_SH₁₈, de modo que la fracción volumétrica de CO en los productos sea menor de 0.1 por ciento. Determine el porcentaje de aire teórico necesario para la combustión del octano a 5 atm de

modo que las Temperaturas de los reactantes y de los productos sean 298 K y 2 000 K, respectivamente. Determine la transferencia de calor por kmol de octano para este proceso si la combustión ocurre en una cámara de combustión de flujo estacionario. Grafique el porcentaje de aire teórico necesario para 0.1 por ciento de CO en los productos como función de las presiones del producto entre 100 y 2 300 kPa,

Capítulo 16 ! 841

Problemas para el examen de fundamentos de ingeniería 16-115 Si la constante de equilibrio para la reacción H₂ + l;0₂ H2O es K, la constante de equilibrio para la reac

ción 2H.0 *=* 2H₂ -i- O, a la misma temperatura es

a)1/K b) 1/2AT) c)2k d) K² e) 1/A

16-116 Si la constante de equilibrio para la reacción CO + ,0₂ ^:F=i CO, es K, la constante de equilibrio para la reacción C0₂ + 3N₂ =*==* C.0 + ⁱ,0, + 3N₂ a la misma temperatura es

a) 1 /K b) \!K + 3) c) 4K d) K e) 1IK'

16-117 La constante de equilibrio para la reacción H₂ + ^0₂ H-,0 a 1 atm y 1 500 C se da como K De las reacciones que se dan en seguida, todas a 1 500^0, la reacción que tiene una constante de equilibrio diferente es

a)	h₂	+ ₂Or	t⁼—¹ h₂o		a	5	atm
b)	2H	! + O-	2H_:0		a	1	atm
c)	h₂	+ 0₂t—h₂o + 5 0₂			a	2	atm
d)	h₂	+ ₂0₂	+ 3N; ^=*H₂0	+ 3N₂	a	5	atm
e)	h₂	+ ₂ O,	+ 3N₂ ^=*H₂0	+ 3N_;	a	1	atm

16-118 De las reacciones que se dan en seguida, la reacción cuya composición de equilibrio a una temperatura especificada no se afecta por la presión es

a) H₂ f . 0₂ -■ H 2.0

h) CO + ₂0_;^==ⁱC0₂

c) N₂ + 0_; 2NO

d> N,^2N

e) todas las anteriores

16-119 De las reacciones que se dan en seguida, la reacción cuyo número de moles de productos aumenta por la adición de gases inertes en la cámara de reacción a presión y temperatura constantes es

a)	H_r + j0₂^H₂0
b)	c + O IO 11 n 0 N>
c)	N₂ + O- =F=i 2NÜ
d)	N,^ 2N
e)	todo lo anterior.

16-120 Se calienta aire húmedo a una temperatura muy alta. Si la composición de equilibrio consiste en H.O, 0₂. N-, OH, H₂ y NO, el número de relaciones de constantes de equilibrio que se necesita para determinar la composición de equilibrio de la mezcla es

a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5 16-121 Se quema propano C,H_h con aire, y los productos de combustión consisten en C0₂, CO, lí₂0, 0₂, N₂, OH, H, y NO. El número de relaciones de constantes de equilibrio que se necesitan para determinar la composición de equilibrio de la mezcla es

a) 1 b) 2 c) 3 d) 4 e) 5

16-122 Considere una mezcla de gases que consiste en tres componentes. El número de sanables independíenles que se

necesitan especificar para fijar el estado de la mezcla es

a) 1 b) 2 r) 3 d) 4 e) 5

16-123 El valor de la constante de Henry para gas C0₂ disuelto en agua a 290 K es 12.8 MPa. Considere agua expuesta al aire atmosférico a 100 kPa que contiene 3 por ciento de CO- por volumen. Bajo condiciones de equilibrio de fases, la fracción molar del gas CO_¿ disuelto en el agua a 290 K es

a) 2.3 X 10-⁴ b) 3.0 X 10 ⁴ c) 0.80 X lü ⁴

d) 2.2X10"⁴ «0 5.6X10-*

16-124 La solubilidad del gas nitrógeno en caucho a 25°C es 0.00156 kmol/m³ ■ bar. Cuando se establece el equilibrio de fuses, la densidad del nitrógeno en una pieza de caucho colocada en una enmara de gas nitrógeno a 800 kPa es

a) 0.012 kg/m³ bi 0.35 kg/m³ c) 0.42 kg/nri

d) 0.56 kg/m³ e) 0.078 kg/nv³

Problemas de diseño y ensayo

16-125 Un ingeniero sugirió que se usara la disociación de agua a alta temperatura para producir un combustible de hidrógeno. Se ha diseñado un reactor-separador que puede trabajar con temperaturas tan altas como 4 (Xj K y presiones hasta de 5 atm. Él agua entra a este reactor-separador a 25°C. El separador separa los diversos constituyentes de la mezcla en flujos separados, cuyas temperatura y presión corresponden a las del reactor-separador. Estos flujos se enfrían luego a 25' C y se almacenan en tanques a presión atmosférica con la excepción de cualquier agua remanente, que se devuelve al reactor para repetir el proceso. El gas hidrógeno de estos tanques se quema luego con una cantidad estequiometrica de aire para dar calor para una planta de generación eléctrica. El parámetro que caracteriza este sistema es la relación del calor liberado al quemar el hidrógeno con respecto a la cantidad de calor que se utiliza para generar el gas hidrógeno. Seleccione la presión y la temperatura de operación para el reactor-separador que maximice esta relación. ¿Puede ser esta relación alguna vez mayor que la unidad?

16-126 Una turbina de gas (ciclo Brayton) en una estación de bombeo de una linea de gas natural usa gas natural (metano) como su combustible. El aire se introduce a la unidad de turbina a 101 kPa y 25 C, y la relación de presiones de la turbina es 8. El combustible de gas natural se inyecta al quemador de tai manera que el exceso de aire es de 40 por ciento. Determine el trabajo específico neto que produce esta máquina y su eficiencia térmica total.

16-127 Un medio para producir oxígeno líquido a partir del aire atmosférico es aprovechar las propiedades del equilibrio de fases de mezclas de oxigeno y nitrógeno. El sistema se ilustra en la figura P16-127. En este sistema de reactores en cascada, se enfría aire atmosférico seco en el primer reactor

Aire atmosférico seco

Líquido enriquecido en oxigeno

FIGURA P16-127

hasta que se forma líquido. De acuerdo con las propiedades de equilibrio de fases, este líquido será más rico en oxígeno que la fase de vapor. El vapor del primer reactor se desecha mientras que el líquido enriquecido en oxígeno sale del primer reactor y se calienta en un intercambiador de calor hasta que sea nuevamente vapor. La mezcla de vapores entra al segundo reactor, donde se enfría nuevamente hasta que se forma un líquido más enriquecido en oxígeno. El vapor del segundo reactor se conduce de regreso al primero, mientras el líquido se conduce a otro intercambiador de calor y otro reactor para repetir una vez más el proceso. El líquido que se forma en el tercer reactor es muy rico en oxígeno. Si los tres reactores se operan a una presión de 1 atm, seleccione Las tres temperaturas que producen la máxima cantidad de oxígeno con pureza de 99 por ciento,

16-128 Para proteger la atmósfera, se ha sugerido usar hidrógeno como combustible en aviones que vuelan a altas altitudes. Esto evitaría la formación de dióxido de carbono y otros productos de combustión basados en carbono. La combustión en el ciclo Brayton puede realizarse a una presión alrededor de 400 kPa a estas altitudes. Suponga que hay disponibles nuevos materiales de construcción que permiten una temperatura máxima de 2 600 K. y que la composición atmosférica a estas altitudes es 21 por ciento oxígeno y 79 por ciento nitrógeno por volumen. La presencia de NO, en los gases de escape es crítica a estas altitudes y no puede exceder de 0.1 por ciento por volumen. Se usa un suministro de aire en exceso para controlar la temperatura máxima del proceso de combustión. Determine la cantidad de exceso de aire que se debe usar de manera que no se exceda la especificación ni de máxima temperatura ni de máximo NO, permisible. ¿Cuál es la fracción molar de NO, si lo que rige es la especificación de máxima temperatura? Si la que rige es la especificación de máximo NO,, ¿cuál es la temperatura de los gases de combustión?

Análisis de los procesos de combustión 43

No obstante, consideraremos que la entropía de las sustancias puras (elemento? o compuestos) es cero a OK y 1 atm.

La entropía de una mezcla será mayor que cero a OK porque los

procesos de mezcla son irreversibles.

PREGUNTAS DE REPASO

I. ¿Qué entiende por combustión estequiométrica?

_mZ ^Quó diferencia existe entre una combustión completa y una combustión con aire teórico? .,v¡i. .,;u:_v.„

3. Demuestre que:

% A t = -~|^r x 100 '

' (^r a/c)t

4. ¿Puede lograrse una combustión completa con una mezcla rica?

5. ¿Es completa una combustión con aire estéquiométrico?

6. ¿Por qué el análisis ORSAT es un análisis de productos secos?

7. Demuestre que lá diferencia entre el poder calorífico alto y el poder calorífico bajo de un combustible es igual al calor latente del vapor formado en la combustión.

8. En una combustión, en la que los reactantes y los productos están

^; a la misma temperatura, ¿por qué no tienen las mismas entalpias?

9. Demuestre que la diferencia entre los poderes caloríficos a presión constante y a volumen constante, es equivalente al trabajo realizado contra la atmósfera.

10. En la determinación del poder calorífico de un combustible se utiliza aire atmosférico, ¿la humedad del aire influye en su determinación? ¿Por qué?

II. ¿Cómo varía el calor de combustión con la temperatura?

t2. ¿Qué relación existe entre la entalpia de formación y la energía química? • _v

13. ¿Cuál es la entalpia de formación del H2. He, N, OH, O, CO, H y N₂?

14. La curva h vs T de los reactantes, ¿es independiente de la ra/c? ¿Porqué? .. ;

15. Para un combustible dado, ¿cómo varía la entalpia de combustión I con la temperatura?

16. Trace la curva calor transferido vs.T para una misma temperatura de los reactantes. ¿Qué significado tienen las intersecciones de la curva con los ejes? ¿Qué sucede si se utilizan diferentes valores de la ra/c?

17. Para una combustión completa, trace las curva: %C02, %0₂ y %CO vs. relación aire-combustible. ¿Cómo son estas curvas si el aire es deficiente?

18. Marcar: verdadero (V) o falso (F) según corresponda en c/u de las siguientes sentencias:

a)v La temperatura de la llama adiabática no es una propiedad de los combustibles. r. b) La entalpia de formación de un compuesto, es siempre negativa.

c) En los combustibles que no poseen hidrógeno sus poderes caloríficos superior e inferior, son iguales.

d) Ei poder calorífico es una propiedad de ios combustibles.

e) La entalpia de formación de un compuesto se origina en su proceso de combustión.. .

í) La diferencia entre el poder calorífico de un combustible a p = cte y a v=cte es la misma que entre p.c.s. y el p.c.i.

g) El poder calorífico del C0₂ es 8,944 kJ/kg.

h) El petróleo Diesel N⁹ 2 (P.D.2) tiene una entalpia de formación negativa.

PROBLEMAS

1. Un combustible cuya composición en masas es: C = 82%, H2 = 12%, y 02=6%; se quema con 250% de aire teórico. Se sabe que en la combustión, el 90% de carbono reacciona formando C0₂ y el resto de carbortó reacciona formando CO. Determinar:

a) El aire teórico y el aire real, en kg. de aire/kg. de combustible.

b) El análisis gravimétrico (% en masas) de los productos.

Rpta. a) ra/ct = 13.23; raye = 33.08 kg aire/kg comb.

b) C0₂ = 7.94%; CO = 0.56%; H2Ü=3.17%;

N₂ = 74.44%; 02=13.89%.

2. Se hace un análisis de los productos de la combustión cuando se quema benceno (CeLte) con aire atmosférico. El análisis volumétrico de los productos secos arroja lo siguiente: C0₂: 14.75%; CO:

1.05%; N₂:81.70%. Calcular: El porcentaje de exceso de aire.

El porcentaje de CO en base húmedar Rpta. a) 10% d) 0.98%

3. Para un horno utilizado en la fabricación de cemento, se requiere gases de combustión aproximadamente a 1627°C. El combustible octano líquido (CaH 1 b) ingresa a 25°C y el aire para combustión ingresa a 227°C. El proceso puede considerarse adiabático.

Entalpia de formación para el C8H18 líquido:

-249, 952 kJ/kmol

a) Determine la relación aire-combustible estequiométrica

b) Determinar el % de exceso de aire

c) ¿Cómo explica Ud. que para un proceso de combustión adiabática, la entalpia de los reactantes es igual a la entalpia de los

Análisis de los procesos de combustión. 45

productos estando ambos a temperaturas diferentes?

Rpta. a) ra/ct = 15.05; b) ex=59.3%

4. Se quema butano (C4H10) con una relación aire-combustibie: ra/c=23.67; si el 80% de! C se quema hasta CO2, determinar el % de exceso de aire.

Rpta. ex = 54%

5. El análisis de los productos de lá combustión del etino (C2H2) da la siguiente composición en “base seca”: 002:12.4%, 02:6.2%, N2:81.4%. Determinar la relación aire-combustible.

Rpta. ra/c = 18.44.

6. Se quema etano (C2H6) con 200% de aire teórico. La .combustión es completa. La temperatura deí combustible es de 25°C y la del aire es de 27°C. Los productos salen a 427°C. La entalpia de formación del etano es: -84.667 kj/kmol. Determinar:

a) > La entalpia de los productos en kJ/kg. de combustible.

b) La relación aire combustible real y la teórica.

c) /El análisis volumétrico de los productos

Rptas: a)-35,8B4; b) r_a/ct = 16.0; ra/c = 32.0; c) CO2: 5.74%; H₂0: 8.62%; 0₂:10.05%; N2: 75.59

7. A la cámara de combustión de una turbina a gas ingresa octano líquido a 25°C y aire a 600 K. La combustión es completa, adiabática, de FEES. La máxima temperatura que deben alcanzar los gases de la combustión es de 1800 K. ¿Cuál es el exceso de aire?

. Rpta: 87.2%

8. a Se quema alcohol etílico (C2H5OH) con 150% de aire teórico en un

proceso de FEES. Los reactantes ingresan a 25°C y los productos salen a 500 K y 1 atm. Calcular la. transmisión de calor por kmol de alcohol etílico. Entalpia de formación del alcohol etílico: -235,465 kj/kmol.

9-, _ Cierto flujo de aire y metano a 25°C es suministrado a una máquina de combustión interna. Después de producir trabajo, los gases de combustión escapan a 727°C. La transferencia de calor del sistema es de 233000 kJ/kmol de combustible. La combustión se realiza con 10% de exceso de aire. Determine el trabajo realizado en kJ/kmol de combustible.

Rpta. 245,358 kJ/kmoi combust.

10. En un proceso de combustión de FEES, a la presión constante de 1 atm. se quema butano (C4H10) y el análisis ORSAT de ios productos arroja lo siguiente: '

7.8% CO2, 1.1 CO, 2.48% O2 Determinar:

a) El % at

b) El calor de combustión si los reactantes y productos se encuentran a 25°C.

' < c) La temperatura de la llama adiabática.

' Rpta. a) %at=113.33% b) 2737,223 kj/mol C4H10 c) 1,740 K.

11. En un horno de combustión, el combustible usado es hexano (CsHh) para el cual hf=-167,197 kü/kmol. El combustible y el aire ingresan a 1 atm. y 25°C y los productos salen a 330°C. La composición de los productos en volumen es: 8.18% CO2, 1.63% CO,

11.46% H2O (vapor), 73.82% N2 y 4.91% O2. Determine el calor transferido durante la combustión y compárelo con el calor que se transferiría si la combustión fuese ideal, con aire estequiométrico,

. . entre,las mismas temperaturas.,*.m >_:

12. Octano líquido (CsHib) ingresa a la cámara de combustión de una turbina a gas, a 25°C y e! aire ingresa a 230°C. La combustión es cómpleta. Puede considerarse que es un proceso de estado esta- -ble y flujo estable y adiabático. ¿Cuál es el exceso de aire requerido si la temperatura de los productos está limitada a 830°C? • j i ■■

Entalpia de formación del CaHiB (I): hf=-249,952 kJ/mol. j¡.

13. Determinar el p.c.i. del octano líquido. 1^;

Rpta. 44,514 kJ/kg. i : • . ; J¡ i

14. En el análisis de los productos de la combustión de un cierto proceso el resultado en báse seca es: C02:3,426%; CO:0.0%; 02:16.06%; N2 = 80.514%. ¿Cuál sería la lectura del CO2 en base húmeda? ’ ,-^¡ . . \ j; '

• Rpta. 3.3% • •

15. Determinar la ra/c si se quema un combustible constituido por 80% CH4 y 20% C3H8, en peso, con 160% de aire teórico. :.

;... Rpta. 26.96 kg aire/kg combustible. -;

16. En una instalación de combustiónse quema'fi!lp&WdX7H'ig^,sctii^^,■' aire en exceso, siendo la combustión completa. La temperatura de los reactivos es 25°C y la de los productos 1200K. Si el calor de combustión es Q = 2’230,225 kJ/kmol de combustible, determine el % de aire teórico utilizado en el proceso:

Rpta. 135% . . . ■ r'Vl'f' i '

17. El p.c.i. del C16H32 es de 38,000 kJ/kg. ¿Cuál es su entalpia de formación? ^ _; i .

Rpta. 1’653,584 IcJ/kmo!

18. Determinar el p.c.s. dei H2.

Rpta. 142,919 kJ/kg de H2 ¡.

19. En una cámara de combustión se quema un gas constituido por 30% CH4 y 70% C2H6, en volumen, los gases ingresan al quema-

COMBUSTION

dor a 1 bar y 25°C con 12% de exceso de aire. Considerando que al combustión es completa y que los productos abandonan la instalación a 500K; determinar:

a) el p.c.s. del combustible

b) el % dé CO2 en un análisis en base total

c) el calor transferido durante el proceso.

Rpta. a) 52,675 kü/kg. b) 9.66%; c) 43.248 kJ/kg de combustible.

COMPRESION DE GASES

introducción

Los requerimientos de gases a presiones superiores e Inferiores a la atmosférica son muy frecuentes en Ingeniería. De hecho no es fácil encontrar una rama de la Industria en la que no haya requerimientos de este tipo. La compresión forma parte integrante de los ciclos de refrigeración, como veremos más adelante. Juega un rol muy importante, en la industria química. En ingeniería civil y en la minería, las herramientas neumáticas son indispensables por su seguridad, simplicidad y comparativamente bajo peso. '

Por otro lado se requieren presiones absolutas bajas y en algunos casos extremadamente bajas en la lioíilizaclón y secado por vacío, en la fundición al vacío de metales, etc.

El desarrollo de mejores métodos y técnicos más económicas de compresión y expansión de gases requiere del conocimiento de la teoría del proceso y del funcionamiento de las máquinas con las que se efectúa estos cambios de presión.

Los procesos de compresión de gases se efectúan en máquinas denominadas compresores que emplean la energía mecánica entregada en aumentar la presión de un gas.

de pistón rotatorios /

a) de desplazamiento positivo .,„._r

Centrífugos

b) dinámicos

axiales

radiales

10. ¿Cüál es la expresión de la eficiencia volumétrica convencional para un proceso isotérmico?

11. ¿Cuál de las siguientes expresiones corresponde a la eficiencia volumétrica convencional:?

a) Vd V c . ' , p2 \

h^{evc =} vdTvm ^b)-TTc" ' ^{0)0 + 1}

^d)c₊₁-c-^: e)—\ 1)1 ₊0-c(^-) V2 f VD + Vm ' Ti '

12. ¿Cuál es la expresión de la potencia de compresión en dos etapas? .: ,¡ •

13. Marcar verdadero o falso según corresponda.

a) La eficiencia isotérmica de un compresor adiabático es siem-;¿.pre menor de 100%. : • :

b) La potencia de pérdidas mecánicas de un compresor no cons-¹ : tituye carga térmica del sistema de enfriamiento.

c) En una compresión por. etapas con interenfriamiento, las po-•; tencias de compresión en cada etapa pueden ser diferentes.

d) En un compresor reciprocante la potencia indicada y de com-; presión son coincidentes.

e) En una compresión ¡deai por etapas con interenfriamiento, las ■ temperaturas de salida del gas, son iguales en todas las eta-I PaS.

f) Una bomba de vacío es, en principio, un compresor.

g) La eficiencia isoentrópica de un compresor nunca puede ser , mayor de 100%.

h) Todos los compresores reciprocantes que se fabrican en la actualidad son sin volumen muerto.

i) .; Las válvulas de un compresor reciprocante se abren mediante

^: levas a! igual que en los motores de combustión interna, j) La eficiencia volumétrica de un compresor es independiente de sus condiciones de operación, k) Para un compresor dado, sus eficiencias.isotérmica e ¡soentró-■: i pica son iguales.

I) La existencia de un compresor con n menor que 1, es imposi-, ble.

PROBLEMAS

1. Un compresor de flujo estable aspira 10 m³/s de nitrógeno a 80 kPa y 20°C y los descarga a 250 kPa. Determine la-potencia de compresión y el calor transferido en kW así como la temperatura de salida en cada uno de los siguientes casos:

a) Politrópico con n = 1.25 y n = 1.55

b) Isoentróplco

c) Isotérmico

Rptas. _______

n	Wc kW	Q kJ/s	T2 K
1.25	i 1023	-308	368
1.55	1123	+ 273	439
k	1074	; 0	403
1.00	,911	-911	......... ²⁹³........ I

2. Un compresor comprime N2 desde 200 hasta 650 kPa, el exponente politrópico del proceso es 1.3. Determinar el trabajo de compresión en kJ por kg de N2 para los casos en que el gas ingrese a 10, 20, 30, 40 y 50°C y represéntelos en un gráfico w vs Ti. ¿Cuál es el motivo de la variación del trabajo?

Rpta.

Ti(K)	283	293	303	313	323
w_c(kJ/kg)	113	117	121	125	129

La relación es lineal, a mayor temperatura de ingreso, mayor volu-^ men específico del fluido a comprimir.

3.) Determinar la potencia de compresión de un compresor que comprime CO2 desde 1 bar hasta 5.5 bar, si su eficiencia isotérmica es de 80% y el CO2 ingresa a 10°C a razón de 200m /min.

Rpta. 710 kW

4. Para el compresor del enunciado 3, determine el calor transferido y su eficiencia isoentrópica.

Rpta. 88 kü/s. 97%

5. Un compresor alternativo isotérmico ideal sin VM comprime

1.5 kg/s de O2 desde 150 kPa y 47°C hasta 500 kPa. Si L/D = 1.2 y N = 300 RPM, determine la potencia y dimensiones del compresor.

Rpta. Wt = 150 kW. Dimensiones: 561 x673 mm

6. Un compresor alternativo horizontal de 0.3 x 0.36 m. con una relación de VM c = 5% y 180 RPM comprime aire desde 100 kPa y 27°C hasta 400 kPa Isoentrópicamente.

a) Trazar los diagramas del ciclo de funcionamiento del compresor en los planos: p=v, p-V, T-s, m-v indicando los valores correspondientes.

b) Calcular la evc del compresor

c) Determinar la potencia necesaria de compresión

d) Determinar el flujo de aire en m³/mln a la salida.

Rpta. evc=91.5% Wc = 14kW Vs = 1.55 m³/min.

7. Un compresor alternativo funciona de acuerdo a las siguientes características DxL = 0.2 x 0.25 m, c=5%, la válvula de escape se abre al 10% de la carrera y su velocidad es de 300 RPM. Considerando que la compresión es Isoentrópica y la sustancia de trabajo es aire que Ingresa a 1 atm. y 17°C se pide calcular:

a) Su evc.

b) El flujo de aire aspirado en m³/min, medido en las condiciones de aspiración

c) La potencia de compresión.

Rpta evc=99.4% Va=0.039 m³/s Wk = 0.55kW

8. Para el compresor del enunciado 7, determinar su pmi.

Rpta. pmi = 114 kN/m²

9. Determinar las dimensiones de un compresor de 200 RPM que comprime 6 m³/min de CO2 desde 1.013 bar y 25°C, hasta 6 veces la presión inicial, (n= 1.35, c= 4% y L/D= 1.)

Rpta.350x350mm. , .......... , ,

10. Se requieren comprimir 30 m³/min de aire desde 90 KN/m² y 17°C hasta 450 kN/m² en un proceso adiabático con n=1.5. Calcular:

a) La potencia necesaria de compresión

b) La potencia mínima requerida para comprimir en dos etapas con refrigeración intermedia.

c) Determinar en ambos casos a) y b) las eficiencias adiabática e isotérmica.

Rpta. W=96kW

11. Suponga que para el caso del enunciado (10) en el o los compresores correspondientes N = 100 RPM, c= 0.04 y L/D= 1.1. Determine:

a) Para el caso de compresión en una etapa la evc y las dimensiones del compresor

b) Los mismos datos para el caso de compresión en dos etapas.

12. Un compresor de VD:0.3 m³, cuyo volante gira a 600 RPM y ev= 80%, comprime aire isoentrópicamente desde 1.0 a 7 bar. Determinar la potencia necesaria de compresión en kW.

Rpta. W_c=625kW.

" • . ■; • ' »■ Ti

13. Si el proceso anterior se efectúa en 3 etapas con refrigeración intermedia ideal, determinar el porcentaje de ahorro de potencia. .: .

/ , Rpta. 17.8% - , -\ i; . - :

14.) Un compresor reciprocante tiene las siguientes características:

Longitud total de la cámara 0.5 m, Diámetro 0.5 m., carrera 0.48 m., velocidad 750 RPM, eficiencia mecánica 85% la válvula de^ admisión se abre al 33% de la carrera. Determinar la evc.

Rpta. 77%. :-j •

15. Un compresor reciprocante de dos etapas aspira 1 m³/mln de aire libre (1.013 bar y 15°C). AMnicio de la compresión las condiciones son de 1 bar y 25°C, el índice politrópico de compresión y expansión es de 1.3. La presión final es de 16 bar. Ambos cilindros tienen una relación de volumen muerto de 3% suponiendo que la refrigeración intermedia se lleva a cabo a la presión óptima y hasta la temperatura de 25°C, la velocidad es de 300 RPM. ' !

Determinar: i¹ . >'•

a) el VD de cada compresor ¡ ‘ ^vi¿ . ■

b) la potencia indicada de compresión .. ■ :j ivv^r

c) la presión media indicada en cada cilindro \

d) la potencia al eje si la eficiencia mecánica es de 83%. í;j ■ ¿

Rptas: 0.2223 m³; 0.0556 m³; 342 kW; pml = 154 kN/m²;

615 kN/m²; wc=412 kW.

16. Un compresor de dos etapas, de doble efecto con interenfriamlen-to, aspira 3.2 m³/mln de aire a 1 bar y 20°C y lo comprime hasta

83 bar siendo su velocidad de 200 RPM. En ambas etapas la velo- )} •

^: ” ^r cidad media del pistón es de. 160 m/mln,4a eficiencia volumétrica T

es 87%, el índice politrópica es de 1.3. Determinar: v .. j

a) la potencia necesaria de compresión ‘

b) las dimensiones de cada etapa. ^; - ' ri;

17. Un compresor cuyo VD=0,3 m³ tiene una eficiencia volumétrica de 80% y comprime aire isoentrópicamente de 1 a 7 bar mientras

su volante gira a 600 RPM. Determinar la potencia necesaria de •;

compresión. . ' . ■

18. Un compresor reciprocante tiene las siguientes características: Ion- • gitud total de la cámara 0.5 m, Diámetro 0.5 m., cárrera 0.46 m, ve- -locídad 750 RPM, eficiencia mecánica "85%., la ¡válvula de admisión se abre al 33% de la carrera, determinar la e.v.c. íTT ; j’

\ ■ Rpta. 77%. i';;,-^; > rj‘

19. Un compresor de 3 etapas simple acción, requiere de la acción de un motor de 30 kW y 1200 RPM para comprimir aire desde 1 bar y ^v 27°C hasta 30 bar, en condiciones óptimas. Si el índice politrópico del proceso es n = 1.2, la eficiencia mecánica del compresor es de 92%, la relación L/D = 1.1 y el compresor tiene 3% de volumen

!.• : muerto. Determinar: j / ;.: ,

■ ^ — ........

a) la eficiencia isoentrópica del compresor

b) la eficiencia isotérmica

c) la relación entre la potencia de compresión en 3 etapas y la potencia necesaria'para comprimir el mismo flujo de aire en una etapa

d) las dimensiones de c/u de las etapas del compresor

e) la transferencia de calor en c/u de las etapas del compresor

f) la presión medía indicada en la primera etapa del compresor y.. Rpta. 7k = 153% tjj = 90% Wc3/Wc1 = 81%

20. Las características constructivas de un compresor reciprocante son tales que la válvula de admisión se abre al 15% de la carrera,

' '. tiene 4% de volumen muerto y hace 600 ciclos por minuto. Deter-1 .. minar su volumen de desplazamiento para que pueda comprimir . : 100 m³ de aire por minuto.

Rpta. 0.196 m³. _:: ...

21. Un turbocompresor aspira 500 m³/min de gas natural a la presión de 1 bar y 17°C con una composición de 17% de C2H6 y 83% de CH4 en volumen y lo comprime hasta la presión de 1.8 bar. ¿Cuál es la potencia de compresión si la eficiencia isoentrópica del compresor es de 75%?

22., Un compresor reciprocante con 4% de VM. comprime aire isoen-trópicamente desde 2 bar y 300K hasta la presión de 6 bar. Sus di-, menciones son 280 mm de diámetro y 320 mm de carrera. Si la ve-- locidad del compresor es de 600 RPM y asumiendo un funciona-’J,;' _; miento ideal: • ’

Tv;. a):. ¿Cuál es la masa de aire que ingresa por ciclo?

b) ¡ ¿Cuál es el ángulo de giro de la manivela durante el cual per-

c) í ¿Cuál es el volumen de aire que se expulsa por ciclo.

.Rpta. masa de aire aspirado=0.0435 kg/ciclo ángulo de giro=170'

volumen de aire expulsado = 8,544 cm^:

23. En una instalación de compresión se aspiran 90m³/min de aire a 1 bar y 17°C. Si se desea comprimirlos hsta 6 bar, siendo la eficiencia isoentrópica de 90%. Determinar la potencia de compresión y la eficiencia isotérmica del proceso.

- Rpta. Wc=390 kW. r/t = 68.9%.

INTRODUCCION AL ESTUDIO DE CICLOS TEFtMODSNAMlCOS

Ciclo

Se denomina así a la sucesión de procesos al final de los cuales la sustancia retoma a su estado "inicial”.

Elementos del ciclo

Con el fin de homogenlzar la terminología a utilizarse definiremos los conceptos fundamentales relacionados con la realización de un ciclo.

Máquina Térmica ,.,_r ,_s. '"•* "

Sistema o conjunto de sistemas termo-mecánicos en los que la sustancia de trabajo efectúa el ciclo térmico.

Foco Térmico

Parte constitutiva del medio exterior, que estando a una temperatura T, intercambia calor con la sustancia de trabajo durante alguno o algunos de los procesos del ciclo. En términos relativos lo clasificaremos como foco térmico a alta temperatura, Ta, que recibe o entrega el calor qa y foco térmico a baja temperatura, TB.que recibe o entrega el calor qB.

Fuente

Foco térmico que transfiere calor a la sustancia de trabajo durante aiguno o algunos de los procesos del ciclo.

Los problemas marcados con "C" son preguntas de concepto y se exhorta a los estudiantes a contestarlas todas. Los problemas marcados con una “E" están en unidades inglesas, y quienes utilizan unidades SI pueden ignorarlos. Los problemas con un Icono de CD-EES i se resuelven por medio del EES y las soluciones completas junto con los estudios paramétricos se incluyen en el DVD adjunto. Los problemas con el icono g| son de comprensión y se requiere una computadora para resolverlos, de preferencia con el software EES que acompaña a este texto.

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