Consideraciones iniciales para todos los casos analizados
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Los combustibles son sustancias que reaccionan con el oxígeno para liberar energía útil. La mayor parte de la energía se libera como calor, pero también se libera energía luminosa.
Alrededor del 21% en volumen del aire es oxígeno. Cuando un combustible se quema con aire en abundancia, recibe suficiente oxígeno para la combustión completa.
La combustión completa necesita un suministro abundante de aire para que los elementos en el combustible reaccionen completamente con oxígeno. Los combustibles como el gas natural y la gasolina contienen hidrocarburos. Estos son compuestos de hidrógeno y carbono solamente. Cuando se queman por completo:
El carbono se oxida a dióxido de carbono
El hidrógeno se oxida a agua
En general, para una combustión completa:
El término "hidrocarburo" se explica por sí solo, lo que significa compuestos de carbono e hidrógeno solamente. Los hidrocarburos juegan un papel clave en nuestra vida diaria. Debe estar familiarizado con los términos "GLP" y "GNC" utilizados como combustibles. El GLP es la forma abreviada de gas licuado de petróleo, mientras que el GNC significa gas natural comprimido. Otro término "GNL" (gas natural licuado) también está en las noticias en estos días. Este también es un combustible y se obtiene por licuefacción de gas natural. La gasolina, el diesel y el queroseno se obtienen por destilación fraccionada del petróleo que se encuentra debajo de la corteza terrestre. El gas de carbón se obtiene por la destilación destructiva del carbón. El gas natural se encuentra en los estratos superiores durante la perforación de pozos petroleros. El gas después de la compresión se conoce como gas natural comprimido, que es empleado como combustible doméstico. El queroseno también se usa como combustible doméstico, pero causa cierta contaminación. Los automóviles necesitan combustibles como gasolina, diesel y GNC. Todos estos combustibles contienen mezclas de hidrocarburos, que son fuentes de energía. Los hidrocarburos también se utilizan para la fabricación de polímeros como polietileno, polipropileno, poliestireno, etc. Los hidrocarburos superiores (mayor peso molecular) se utilizan como disolventes para pinturas.
El carbono se libera como hollín. El monóxido de carbono es un gas venenoso, razón por la cual se prefiere la combustión completa a la combustión incompleta. Los fuegos de gas y las calderas deben revisarse regularmente para garantizar que no produzcan monóxido de carbono. El monóxido de carbono se absorbe en los pulmones y se une con la hemoglobina en nuestros glóbulos rojos. Desafortunadamente, esto reduce la capacidad de la sangre para transportar oxígeno, ya que el monóxido de carbono se une exactamente al mismo sitio en la hemoglobina que el oxígeno, pero la diferencia es que el monóxido de carbono se une irreversiblemente, lo que hace que esa molécula particular de hemoglobina deje de ser útil para transportar oxígeno. Si inhalas suficiente monóxido de carbono, morirás por una especie de asfixia interna.
Los hidrocarburos se vuelven más difíciles de combustionar a medida que las moléculas se hacen más grandes. Esto se debe a que las moléculas más grandes no se vaporizan tan fácilmente: la reacción de combustión es mucho mejor si el oxígeno y el hidrocarburo se mezclan bien como gases. Si el líquido no es muy volátil, solo las moléculas en la superficie pueden reaccionar con el oxígeno.
Los combustibles gaseosos son más atractivos para el uso práctico que los combustibles condensados ya que son más limpios y carecen de cenizas y partículas minerales. Por lo tanto, se pueden suministrar directamente a la cámara de combustión. El diseño de quemadores de gas y los fenómenos de transporte asociado es mucho más simple, ya que no hay gasificación ni atomización. Sin embargo, la principal desventaja de los combustibles gaseosos es su baja densidad y el requisito de un gran espacio de almacenamiento (tanques) para almacenar suficiente cantidad de combustible para aplicaciones prácticas. Esta desventaja puede superarse almacenando el gas a alta presión en forma comprimida o licuándolo y almacenándolo bajo ciertas condiciones. Incluso haciendo esto, dependiendo de la aplicación, la cantidad del gas almacenado puede ocupar un volumen mucho mayor en comparación con la de un combustible condensado que tiene el mismo valor energético. Más lejos, el almacenamiento a alta presión exige recipientes a presión de paredes gruesas y medidas adecuadas de protección contra fugas que, si no se hacen correctamente, pueden causar accidentes.
Los combustibles líquidos son ventajosos sobre los combustibles gaseosos ya que tienen mucha mayor densidad de energía. Son mejores que los combustibles sólidos de uso común, como el carbón y la biomasa, ya que los combustibles líquidos son relativamente limpios y no dejan cenizas o minerales como productos de combustión. Sin embargo, a diferencia de los combustibles gaseosos, estos combustibles deben ser gasificados o vaporizados, antes de que puedan participar en la reacción de combustión. Esto requiere unas propiedades adicionales para caracterizar debidamente este tipo de combustible, aparte de su poder calorífico. La vaporización es dictada por la volatilidad del combustible líquido. La volatilidad se rige por las propiedades, como punto de ebullición, calor latente de vaporización y calor específico. Además, la vaporización es un fenómeno de superficie y la relación superficie/volumen del líquido dicta la velocidad de vaporización. Para aumentar la relación superficie/volumen, un chorro de combustible líquido, inyectado en una cámara de combustión, tiene que desintegrarse en pequeñas gotas mediante un proceso llamado atomización. La viscosidad del combustible líquido Influye fuertemente en el proceso de atomización. Líquidos con menor viscosidad se puede atomizar fácilmente. Además, el encendido de la mezcla de aire y vapor-líquido está dictada por los puntos de inflamación y combustión del combustible líquido. Por lo tanto, queda claro que varias propiedades son requeridas para caracterizar un combustible líquido, que deben estimarse y utilizarse en cálculos de diseño de quemadores de combustible líquido.
El punto de combustión de un combustible es la temperatura más baja a la que el vapor de ese combustible continuará ardiendo durante al menos 5 segundos después del encendido por una llama abierta de dimensión estándar. En el punto de inflamación, se trata de una temperatura más baja, una sustancia se encenderá brevemente, pero es posible que no se produzca vapor a una velocidad que sostenga el fuego. En general, se puede suponer que el punto de combustión es aproximadamente 10 °C más alto que el punto de inflamación.
Los motores de gas modernos utilizan una mezcla pobre en combustible de gas y aire para el proceso de combustión. Esto tiene muchas ventajas, como una menor carga térmica en las partes del motor, sustancialmente menos emisiones de NOx y una mayor resistencia a la detonación que resulta en una mayor eficiencia energética y capacidad de potencia.
La mayoría de los motores de gas modernos funcionan con una relación aire-combustible entre 1.8 y 2.1, lo que significa que el 80 al 110% de aire adicional en comparación con una mezcla estequiométrica (λ=1.0).
