La combustión o del que quema es una secuencia compleja de reacciones químicas exotérmicas entre un combustible y un oxidante acompañado por la producción del calor o el calor y el ligero bajo la forma de resplandor o llamas
La combustión directa por el oxígeno atmosférico es una reacción mediada por los intermedios radicales . Las condiciones para la producción radical son producidas naturalmente por el fugitivo termal, donde está necesario el calor generado por la combustión mantener la temperatura alta necesaria para la producción radical.
En una reacción de la combustión completa, un compuesto reacciona con un elemento oxidante, tal como oxígeno o flúor, y los productos son compuestos de cada elemento en el combustible con el elemento oxidante. Por ejemplo:
l + → 2 +
2 + → 6 + 2 +
Un ejemplo más simple se puede considerar en la combustión del hidrógeno y del oxígeno, que es una reacción de uso general en motores espaciales:
2 del + → 2 + calor El resultado es simplemente vapor de agua.
En la gran mayoría de las aplicaciones del mundo real de la combustión, el oxidante del oxígeno (O2) se obtiene del aire ambiente y el humo resultante de la combustión contendrá el nitrógeno :
l + → 2 + 7.52 + calor
Como puede ser visto, cuando el aire es la fuente del oxígeno, el nitrógeno es la parte en gran medida más grande del humo resultante.
En realidad, los procesos de la combustión nunca son perfectos o completos. En humos de la combustión del carbón (como en la combustión del carbón ) o del carbón compone (como en la combustión de los hidrocarburos, de la madera etc.) ambo carbón incombusto (como hollín ) y los compuestos del carbón ( CO y otros) estarán presentes. También, cuando el aire es el oxidante, un poco de nitrógeno será oxidado a los varios óxidos de nitrógeno (NOx).
Tipos
Rápido
La combustión rápida es una forma de combustión en la cual las granes cantidades de energía ligera del calor y se lanzan, que da lugar a menudo a un fuego . Esto se utiliza en una forma de maquinaria tal como motores de combustión interna y en las armas termobáricas a veces, un de gran capacidad del gas se libera en la combustión además de la producción de calor y de luz. La evolución repentina de granes cantidades de gas crea la presión excesiva que produce un fuerte ruido. Tal combustión se conoce como explosión.
Lento
La combustión lenta es una forma de combustión que ocurra en las bajas temperaturas. La respiración celular es un ejemplo de la combustión lenta.
Completo
En la combustión completa, el reactivo quemará en oxígeno, produciendo un número limitado de productos. Cuando un hidrocarburo quema en oxígeno, la reacción rendirá solamente el dióxido y el agua de carbono. Cuando un hidrocarburo o cualquier combustible quema en aire, los productos de la combustión también incluirán el nitrógeno. Cuando los elementos tales como carbón, nitrógeno, sulfuro, e hierro se queman, rendirán los óxidos mas comunes. El carbón rendirá el dióxido de carbono. El nitrógeno rendirá el dióxido de nitrógeno . El sulfuro rendirá el dióxido de sulfuro . El hierro rendirá el hierro (III) el óxido . Debe ser observado que la combustión completa es casi imposible de alcanzar. En realidad, como reacciones reales de la combustión venir al equilibrio, una gran variedad de principal y la especie de menor importancia estará presente. Por ejemplo, la combustión del metano en aire rendirá, además de los productos principales del dióxido y del agua de carbono, el monóxido de carbono del producto y los óxidos de nitrógeno de menor importancia, que son productos de una reacción secundaria (oxidación de nitrógeno).
Turbulento
La combustión turbulenta es una combustión caracterizada por flujos turbulentos. Es usado más para el uso industrial (e. turbinas de gas, motores diesel, etc.) porque la turbulencia ayuda al proceso de mezcla entre el combustible y el oxidante.
Incompleto
La combustión incompleta ocurre cuando no hay bastante oxígeno para permitir que el combustible (generalmente un hidrocarburo) reaccione totalmente con el oxígeno al dióxido y al agua de carbono del producto, también cuando la combustión es apagada por un disipador de calor tal como una trampa sólida de la superficie o de llama. Cuando un hidrocarburo quema en aire, la reacción rendirá el dióxido de carbono, el agua, el monóxido de carbono, el carbón puro (hollín o ceniza) y otros compuestos tales como óxidos de nitrógeno .
La calidad de la combustión se puede mejorar por el diseño de dispositivos de la combustión, tales como hornillas y motores de combustión interna . Otras mejoras son realizables por los dispositivos catalíticos de la poscombustión (tales como convertidores catalíticos o por la vuelta parcial simple de los gas de escape en el proceso de la combustión. Tales dispositivos son requeridos por la legislación ambiental para los coches en la mayoría de los países, y pueden ser necesarios en dispositivos grandes de la combustión, tales como centrales térmico, alcanzar los estándares de emisión legales .
El arder
La combustión Smouldering es una forma sin llama de combustión, derivando su calor de las reacciones heterogéneas que ocurren en la superficie de un combustible sólido cuando está calentada en un que oxida el ambiente de . La diferencia fundamental entre la combustión smouldering y con llama está ésa en arder, la oxidación de la especie el reactivo ocurre en la superficie del sólido algo que en la fase de gas. La temperatura y el calor característicos lanzaron durante arder bajo se comparan a ésas en la combustión con llama de un sólido. Los valores típicos en arder son el °C alrededor 600 para la temperatura máxima y 5 kJ/g-O2 para el calor lanzado; los valores típicos durante flamear son el °C alrededor 1500 y 13 kJ/g-O2 respectivamente. La causa de estas características arde para propagar a velocidades bajas, típicamente alrededor 0.1 mm/s, que es cerca de dos órdenes de la magnitud más bajas que la velocidad de la llama extendió por un sólido. A pesar de sus características débiles de la combustión, el arder es un riesgo de incendios significativo.
Combustión con otros oxidantes
El oxígeno se puede asumir como el oxidante al hablar de la combustión, pero otros oxidantes existen. El óxido nitroso se utiliza en cohetes y en motorsport; produce el oxígeno en sobre 1300 el flúor de la C., otro elemento oxidante, puede producir una reacción de la combustión, para producir productos fluorados (algo que los óxidos). Por ejemplo, las mezclas del flúor gaseoso y del metano son explosivas, apenas como mezclas de oxígeno y de metano. El trifluorudo de la clorina es un agente fluorinating fuerte que enciende los combustibles más fácilmente que el oxígeno.
Ecuación química
Generalmente, la ecuación química para el burning estequiométrico del hidrocarburo en oxígeno es como sigue: dejado
Por ejemplo, el burning del propano es:
La ecuación de palabra simple para la combustión de un hidrocarburo en oxígeno es:
Si la combustión ocurre usar el aire como la fuente del oxígeno, el nitrógeno se puede agregar a la ecuación, aunque no reaccione, para demostrar la composición del humo: + dejado
Por ejemplo, el burning del propano es:
La ecuación de palabra simple para la combustión de un hidrocarburo en aire es:
del textrm {carbón \ dióxido}
El nitrógeno puede también oxidar cuando hay un exceso de oxígeno. La reacción se favorece termodinámico solamente en las temperaturas altas. Los motores diesel se funcionan con con un exceso de oxígeno para quemar las pequeñas partículas que tienden a formar con solamente una cantidad estequiométrica de oxígeno, produciendo necesario emisiones del óxido de nitrógeno. Los Estados Unidos y la unión europea están planeando imponer límites a las emisiones del óxido de nitrógeno, que hacen necesario el uso de un convertidor catalítico especial o el tratamiento del extractor con la urea .
Combustibles
Combustibles líquidos
La combustión de un combustible líquido en una atmósfera oxidante sucede realmente en la fase de gas. Es el vapor que quema, no el líquido. Por lo tanto, un líquido cogerá normalmente el fuego solamente sobre cierta temperatura, su punto de inflamación . El punto de inflamación de un combustible líquido es la temperatura más baja en la cual puede formar una mezcla inflamable con aire. Es también la temperatura mínima en la cual hay bastante combustible evaporado en el aire para comenzar la combustión.
Combustibles sólidos
El acto de la combustión consiste en tres relativamente distintos pero fases traslapadas:
Fase del precalientamiento del, cuando el combustible incombusto se calienta hasta su punto de inflamación y entonces el punto del fuego. Comienzo de los gases inflamables que es desarrollado en un proceso similar a la destilación seca .
Fase de la destilación del o fase gaseosa, cuando la mezcla de gases inflamables desarrollados con oxígeno se enciende. La energía se produce bajo la forma de calor y luz. Las llamas son a menudo visibles. El traspaso térmico de la combustión al sólido mantiene la evolución de vapores inflamables.
La fase del carbón de leña del o la fase sólida, cuando la salida de gases inflamables del material es demasiado baja para la presencia persistente de llama y del combustible socarrado no quema rápido más sino apenas brilla intensamente y solamente el posterior arde
Temperatura
La combustión perfecta asumida condiciona, por ejemplo la combustión completa bajo que adibático condiciona (es decir, ninguna pérdida o aumento de calor), la temperatura adibática de la combustión puede ser resuelto. La fórmula que rinde esta temperatura se basa en la primera ley de la termodinámica y toma la nota del hecho de que el calor de la combustión está utilizado enteramente para calentar el combustible, el aire de combustión o el oxígeno, y de los gases del producto de la combustión (designados comúnmente el humo ). En el caso de los combustibles fósiles quemados en aire, la temperatura de la combustión depende de
el valor calorífico
el aire estequiométrico al
la capacidad de calor específico del combustible y del aire
las temperaturas de la admisión del aire y de combustible
La temperatura adibática de la combustión (también sabida como la temperatura adibática de la llama) aumenta para las temperaturas de valores caloríficos más altos y del aire y de combustible de la entrada y para los cocientes de aire estequiométricos que se acercan a uno.
Lo más comúnmente posible, las temperaturas adibáticas de la combustión para los carbones son el °C alrededor 2200 (para el aire y el combustible de la entrada en las temperaturas ambiente y para el ), el alrededor °C 2150 el °C para el aceite y 2000 para el gas natural.
En industrial los calentadores encendidos, los generadores de vapor de la central eléctrica, y las turbinas de gas grande, la manera más común de expresar el uso más que el aire de combustión estequiométrico son del aire de combustión del por ciento '' exceso '' . Por ejemplo, exceso del aire de combustión del 15 por ciento significa que el 15 por ciento que más que el aire estequiométrico required se está utilizando.
Análisis de combustión
Esta sección proporciona un análisis de combustión para algunos combustibles típicos (carbón, hidrógeno, sulfuro, carbón, aceite y gas) cuando el combustible reacciona con aire en las condiciones estequiométricas. Para este análisis, el combustible y el aire se toman para estar en las condiciones de la combustión de la entrada de 298 K y de 1 atmósfera de presión absoluta, y la combustión se toma para ser completa y sin pérdida de calor. ¡ Durante la combustión, una gran cantidad de la energía química los reactivo consigue lanzada bajo la forma de energía termal.
La entalpia de la combustión (HHV o un valor calorífico más alto) es la diferencia entre el valor de la entalpia los reactivo menos el valor de la entalpia de los productos de la combustión en la temperatura de la referencia, que es 298 K.
Cuando el valor de la entalpia los reactivo es igual al valor de la entalpia de los productos de la combustión, uno puede calcular la temperatura adibática de la llama de los productos de la combustión.
El diagrama en el cuadro 1 representa los reactivo y el cambio del valor de la entalpia de los productos de la combustión con un aumento en la temperatura.
Las características físicas para ambos reactivo y productos de la combustión son muy importantes y necesidad ser sabido para realizar cálculos acertados de la combustión.
El diagrama en el cuadro 2 representa cómo los reactivo y los valores de la entalpia de la especie de los productos de la combustión cambian con la temperatura. Las características físicas proporcionaron en este diagrama vienen de los datos termoquímicos de JANAF - Tables, 1970.
Es interesante observar que el valor de la entalpia para los elementos básicos de la combustión tales como carbón (c), hidrógeno (h), sulfuro (s), oxígeno (o) y nitrógeno (n) es igual a cero en las condiciones de la combustión de 298 K y de 1 atmósfera.
También, debe ser mencionado que para la especie del gas ideal, el valor de la entalpia es solamente dependiente en la temperatura. -->
El análisis también requiere saber las características físicas para los reactivo y los productos de la combustión, así como saber la composición de las composiciones del combustible y del oxidante.
Para el tipo sólido y líquido combustibles, las composiciones del combustible se dan sobre base de la fracción del peso. En este análisis, CH4 es el único combustible de gas considerado. Para mantener el análisis de combustión simple y directo, la composición de CH4 también se proporciona en la base de la fracción del peso. La composición del oxidante se da generalmente sobre la base del topo o del volumen.
El cuadro 1 proporciona algunas composiciones del combustible en una base de la fracción del peso:
Inestabilidades
Las inestabilidades de la combustión son oscilaciones típicamente violentas de la presión en una cámara de combustión. Estas oscilaciones de la presión pueden ser tan altas como 180dB, y la exposición de largo plazo a estos presión cíclica y las cargas termales reduce la vida de los elementos del motor. En cohetes, tales como el F1 usado en el programa de Saturno V, las inestabilidades llevadas al daño masivo de la cámara de combustión y los componentes circundantes. Este problema fue solucionado reajustando el inyector de combustible. En motores de jet líquidos el tamaño y la distribución de la gotita se pueden utilizar para atenuar las inestabilidades. Las inestabilidades de la combustión son una preocupación importante en motores de turbina terrestres de gas debido a emisiones de NOx. La tendencia es funcionar con el magro, un cociente de equivalencia menos de 1, reducir la temperatura de la combustión y para reducir así las emisiones de NOx; sin embargo, funcionar con el magro del combustor hace muy susceptible a las inestabilidades de la combustión.
El criterio de Rayleigh es la base para el análisis de las inestabilidades thermoacoustic de la combustión y se evalúa usar el índice de Rayleigh sobre un ciclo de inestabilidad. p'(x, t) dt del