Combustión

La combustión, o quemado, es una reacción química redox exotérmica a alta temperatura entre un combustible (el reductor) y un oxidante, generalmente oxígeno atmosférico, que produce productos oxidados, a menudo gaseosos, en una mezcla denominada humo. La combustión no siempre da como resultado un incendio, porque una llama solo es visible cuando las sustancias que se someten a combustión se vaporizan, pero cuando lo hace, una llama es un indicador característico de la reacción. Si bien se debe superar la energía de activación para iniciar la combustión (p. ej., usar un fósforo encendido para encender un fuego), el calor de una llama puede proporcionar suficiente energía para que la reacción sea autosuficiente.

La combustión es a menudo una secuencia complicada de reacciones radicales elementales. Los combustibles sólidos, como la madera y el carbón, primero se someten a pirólisis endotérmica para producir combustibles gaseosos cuya combustión luego proporciona el calor necesario para producir más. La combustión es a menudo lo suficientemente caliente como para producir luz incandescente en forma de llama o incandescente. Se puede ver un ejemplo simple en la combustión de hidrógeno y oxígeno en vapor de agua, una reacción comúnmente utilizada para alimentar motores de cohetes. Esta reacción libera 242 kJ/mol de calor y reduce la entalpía en consecuencia (a temperatura y presión constantes):2 horas₂(g) + O₂(g) → 2 H ₂ O (g)

La combustión de un combustible orgánico en el aire siempre es exotérmica porque el doble enlace en el O ₂ es mucho más débil que otros dobles enlaces o pares de enlaces simples y, por lo tanto, la formación de enlaces más fuertes en los productos de combustión CO ₂ y H ₂ O da como resultado la liberación de energía. Las energías de enlace en el combustible juegan solo un papel menor, ya que son similares a las de los productos de combustión; por ejemplo, la suma de las energías de enlace del CH ₄ es casi la misma que la del CO ₂. El calor de combustión es de aproximadamente −418 kJ por mol de O ₂ consumido en la reacción de combustión y puede estimarse a partir de la composición elemental del combustible.

La combustión no catalizada en el aire requiere temperaturas relativamente altas. La combustión completa es estequiométrica con respecto al combustible, donde no hay combustible remanente, e idealmente, no hay oxidante residual. Termodinámicamente, el equilibrio químico de la combustión en el aire está abrumadoramente del lado de los productos. Sin embargo, la combustión completa es casi imposible de lograr, ya que no necesariamente se alcanza el equilibrio químico, o puede contener productos no quemados como monóxido de carbono, hidrógeno e incluso carbono (hollín o ceniza). Así, el humo producido suele ser tóxico y contiene productos no quemados o parcialmente oxidados. Cualquier combustión a altas temperaturas en el aire atmosférico, que es 78 por ciento de nitrógeno, también creará pequeñas cantidades de varios óxidos de nitrógeno, comúnmente conocidos como NOx, ya que la combustión de nitrógeno se favorece termodinámicamente a temperaturas altas, pero no bajas. Dado que la quema rara vez es limpia, la ley puede exigir la limpieza del gas combustible o los convertidores catalíticos.

Los incendios se producen de forma natural, provocados por la caída de rayos o por productos volcánicos. La combustión (fuego) fue la primera reacción química controlada descubierta por el ser humano, en forma de fogatas y hogueras, y sigue siendo el principal método de producción de energía para la humanidad. Por lo general, el combustible es carbón, hidrocarburos o mezclas más complicadas como la madera que contiene hidrocarburos parcialmente oxidados. La energía térmica producida por la combustión de combustibles fósiles, como el carbón o el petróleo, o de combustibles renovables, como la leña, se aprovecha para diversos usos, como la cocina, la producción de electricidad o la calefacción industrial o doméstica. La combustión también es actualmente la única reacción utilizada para impulsar cohetes. La combustión también se utiliza para destruir (incinerar) desechos, tanto peligrosos como no peligrosos.

Los oxidantes para la combustión tienen un alto potencial de oxidación e incluyen oxígeno atmosférico o puro, cloro, flúor, trifluoruro de cloro, óxido nitroso y ácido nítrico. Por ejemplo, el hidrógeno se quema en cloro para formar cloruro de hidrógeno con la liberación de calor y luz característicos de la combustión. Aunque normalmente no está catalizada, la combustión puede ser catalizada por platino o vanadio, como en el proceso de contacto.

Tipos

Completo e incompleto

Completo

En la combustión completa, el reactivo se quema en oxígeno y produce un número limitado de productos. Cuando un hidrocarburo se quema en oxígeno, la reacción producirá principalmente dióxido de carbono y agua. Cuando se queman elementos, los productos son principalmente los óxidos más comunes. El carbono producirá dióxido de carbono, el azufre producirá dióxido de azufre y el hierro producirá óxido de hierro (III). El nitrógeno no se considera una sustancia combustible cuando el oxígeno es el oxidante. Aún así, pequeñas cantidades de varios óxidos de nitrógeno (comúnmente denominados NO_Xespecies) se forman cuando el aire es el oxidante.

La combustión no es necesariamente favorable al grado máximo de oxidación y puede depender de la temperatura. Por ejemplo, el trióxido de azufre no se produce cuantitativamente por la combustión de azufre. _Las especies de NOx aparecen en cantidades significativas por encima de aproximadamente 2800 °F (1540 °C), y se produce más a temperaturas más altas. La cantidad de NOx _también es función del exceso de oxígeno.

En la mayoría de las aplicaciones industriales y en incendios, el aire es la fuente de oxígeno (O₂). En el aire, cada mol de oxígeno se mezcla con aproximadamente3,71 moles de nitrógeno. El nitrógeno no participa en la combustión, pero a altas temperaturas parte del nitrógeno se convierte en NO_X(principalmente NO, con cantidades mucho más pequeñas de NO₂). Por otro lado, cuando no hay suficiente oxígeno para quemar el combustible por completo, parte del carbón del combustible se convierte en monóxido de carbono y parte del hidrógeno permanece sin reaccionar. Por lo tanto, un conjunto completo de ecuaciones para la combustión de un hidrocarburo en el aire requiere un cálculo adicional para la distribución de oxígeno entre el carbono y el hidrógeno en el combustible.

La cantidad de aire necesaria para que se produzca una combustión completa se conoce como aire puro. Sin embargo, en la práctica, el aire utilizado es 2-3 veces mayor que el aire puro.

Incompleto

La combustión incompleta ocurrirá cuando no haya suficiente oxígeno para permitir que el combustible reaccione completamente para producir dióxido de carbono y agua. También sucede cuando la combustión se apaga con un disipador de calor, como una superficie sólida o una trampa de llamas. Como ocurre con la combustión completa, el agua se produce por combustión incompleta; sin embargo, se producen carbono, monóxido de carbono e hidróxido en lugar de dióxido de carbono.

Para la mayoría de los combustibles, como el gasóleo, el carbón o la madera, la pirólisis se produce antes de la combustión. En la combustión incompleta, los productos de la pirólisis permanecen sin quemar y contaminan el humo con partículas y gases nocivos. Los compuestos parcialmente oxidados también son motivo de preocupación; la oxidación parcial del etanol puede producir acetaldehído nocivo y el carbono puede producir monóxido de carbono tóxico.

Los diseños de dispositivos de combustión pueden mejorar la calidad de la combustión, como quemadores y motores de combustión interna. Se pueden lograr mejoras adicionales mediante dispositivos de poscombustión catalíticos (como convertidores catalíticos) o mediante el simple retorno parcial de los gases de escape al proceso de combustión. Dichos dispositivos son requeridos por la legislación ambiental para automóviles en la mayoría de los países. Pueden ser necesarios para permitir que los grandes dispositivos de combustión, como las centrales térmicas, alcancen los estándares de emisión legales.

El grado de combustión se puede medir y analizar con equipos de prueba. Los contratistas de HVAC, los bomberos y los ingenieros usan analizadores de combustión para probar la eficiencia de un quemador durante el proceso de combustión. Además, la eficiencia de un motor de combustión interna se puede medir de esta manera, y algunos estados de EE. UU. y municipios locales utilizan el análisis de combustión para definir y calificar la eficiencia de los vehículos que circulan hoy en día.

La combustión incompleta produjo monóxido de carbono

El monóxido de carbono es uno de los productos de la combustión incompleta. El carbono se libera en la reacción normal de combustión incompleta, formando hollín y polvo. Dado que el monóxido de carbono es un gas venenoso, es preferible la combustión completa, ya que el monóxido de carbono también puede provocar problemas respiratorios cuando se respira, ya que reemplaza al oxígeno y se combina con la hemoglobina.

Problemas asociados con la combustión incompleta

Problemas ambientales:

Estos óxidos se combinan con el agua y el oxígeno en la atmósfera, creando ácido nítrico y ácidos sulfúricos, que regresan a la superficie de la Tierra como deposición ácida o "lluvia ácida". La deposición ácida daña los organismos acuáticos y mata los árboles. Debido a su formación de ciertos nutrientes que están menos disponibles para las plantas como el calcio y el fósforo, reduce la productividad del ecosistema y las granjas. Un problema adicional asociado con los óxidos de nitrógeno es que, junto con los contaminantes de hidrocarburos, contribuyen a la formación de ozono troposférico, un componente principal del smog.Problemas de salud humana:

Respirar monóxido de carbono causa dolor de cabeza, mareos, vómitos y náuseas. Si los niveles de monóxido de carbono son lo suficientemente altos, los humanos pierden el conocimiento o mueren. La exposición a niveles moderados y altos de monóxido de carbono durante períodos prolongados se correlaciona positivamente con el riesgo de enfermedad cardíaca. Las personas que sobreviven a una intoxicación grave por monóxido de carbono pueden sufrir problemas de salud a largo plazo. El monóxido de carbono del aire se absorbe en los pulmones y luego se une a la hemoglobina en los glóbulos rojos humanos. Esto reduciría la capacidad de los glóbulos rojos para transportar oxígeno por todo el cuerpo.

Latente

La combustión sin llama es la forma de combustión lenta, a baja temperatura y sin llama, sostenida por el calor que se desprende cuando el oxígeno ataca directamente la superficie de un combustible en fase condensada. Es una reacción de combustión típicamente incompleta. Los materiales sólidos que pueden soportar una reacción de combustión lenta incluyen carbón, celulosa, madera, algodón, tabaco, turba, duff, humus, espumas sintéticas, polímeros carbonizados (incluida la espuma de poliuretano) y polvo. Ejemplos comunes de fenómenos de combustión lenta son el inicio de incendios residenciales en muebles tapizados por fuentes de calor débiles (p. ej., un cigarrillo, un cable en cortocircuito) y la combustión persistente de biomasa detrás de los frentes llameantes de los incendios forestales.

Rápido

La combustión rápida es una forma de combustión, también conocida como fuego, en la que se liberan grandes cantidades de calor y energía luminosa, lo que a menudo da como resultado una llama. Esto se usa en una forma de maquinaria como motores de combustión interna y en armas termobáricas. Tal combustión se denomina con frecuencia combustión rápida, aunque para un motor de combustión interna esto es inexacto. Un motor de combustión interna funciona nominalmente con una combustión rápida controlada. Cuando la mezcla aire-combustible en un motor de combustión interna explota, eso se conoce como detonación.

Espontáneo

La combustión espontánea es un tipo de combustión que se produce por autocalentamiento (aumento de la temperatura debido a reacciones internas exotérmicas), seguida de fuga térmica (autocalentamiento que acelera rápidamente a altas temperaturas) y, finalmente, ignición. Por ejemplo, el fósforo se enciende a temperatura ambiente sin la aplicación de calor. Los materiales orgánicos sometidos a compostaje bacteriano pueden generar suficiente calor para alcanzar el punto de combustión.

Turbulento

La combustión que da como resultado una llama turbulenta es la más utilizada para aplicaciones industriales (por ejemplo, turbinas de gas, motores de gasolina, etc.) porque la turbulencia ayuda al proceso de mezcla entre el combustible y el comburente.

Micro-gravedad

El término 'micro' gravedad se refiere a un estado gravitacional que es 'bajo' (es decir, 'micro' en el sentido de 'pequeño' y no necesariamente una millonésima parte de la gravedad normal de la Tierra) tal que la influencia de la flotabilidad en los procesos físicos puede ser considerado pequeño en relación con otros procesos de flujo que estarían presentes en gravedad normal. En tal entorno, la dinámica del transporte térmico y de flujo puede comportarse de manera bastante diferente que en condiciones normales de gravedad (p. ej., la llama de una vela toma la forma de una esfera.). La investigación de la combustión en microgravedad contribuye a la comprensión de una amplia variedad de aspectos que son relevantes tanto para el entorno de una nave espacial (p. ej., la dinámica del fuego relevante para la seguridad de la tripulación en la Estación Espacial Internacional) como para las condiciones terrestres (basadas en la Tierra) (p. ej., las gotas dinámica de combustión para ayudar a desarrollar nuevas mezclas de combustible para mejorar la combustión, procesos de fabricación de materiales, gestión térmica de sistemas electrónicos, dinámica de ebullición de flujo multifásico y muchos otros).

Micro-combustión

Los procesos de combustión que ocurren en volúmenes muy pequeños se consideran microcombustión. La alta relación superficie-volumen aumenta la pérdida de calor específico. La distancia de extinción juega un papel vital en la estabilización de la llama en tales cámaras de combustión.

Ecuaciones químicas

Combustión estequiométrica de un hidrocarburo en oxígeno

Generalmente, la ecuación química para la combustión estequiométrica de un hidrocarburo en oxígeno es: {mathit {x}}CO2{}+{frac {mathit {y}}{2}}H2O}}}">

donde .

Por ejemplo, la combustión estequiométrica de propano en oxígeno es: {underset {dióxidodecarbono}{3CO2}}+{ underset {agua}{4H2O}}}}}">

Combustión estequiométrica de un hidrocarburo en el aire.

Si la combustión estequiométrica se lleva a cabo usando aire como fuente de oxígeno, el nitrógeno presente en el aire (Atmósfera de la Tierra) se puede agregar a la ecuación (aunque no reacciona) para mostrar la composición estequiométrica del combustible en el aire y la composición del gas de combustión resultante. Tenga en cuenta que el tratamiento de todos los componentes que no son oxígeno en el aire como nitrógeno da una relación de 'nitrógeno' a oxígeno de 3,77, es decir, (100% - O2%) / O2% donde O2% es 20,95% vol: }} x{ ce {CO2}}+{frac {y}{2}}{ce {H2O}}+3.77z{ce {N2}}}">

donde .

Por ejemplo, la combustión estequiométrica del propano () en el aire es: {underset {dióxidodecarbono}{3CO2}}+{underset {agua}{4H2O}}}}+{underset {ce {nitrógeno}}{18,87{ce { N2}}}}}">

La composición estequiométrica del propano en el aire es 1/(1 + 5 + 18,87) = 4,02% vol.

La reacción de combustión estequiométrica para C _α H _β O _γ en el aire:

La reacción de combustión estequiométrica para C _α H _β O _γ S _δ:

La reacción de combustión estequiométrica para C _α H _β O _γ N _δ S _ε:

La reacción de combustión estequiométrica para C _α H _β O _γ F _δ:

Trazas de productos de combustión

Varias otras sustancias comienzan a aparecer en cantidades significativas en los productos de combustión cuando la temperatura de la llama está por encima de1600k _ Cuando se usa aire en exceso, el nitrógeno puede oxidarse a NO y, en mucha menor medida, a NO.₂. El CO se forma por desproporción de CO ₂, y H₂y OH se forman por desproporción de H ₂ O.

por ejemplo, cuando1 mol de propano se quema con28,6 mol de aire (120% de la cantidad estequiométrica), los productos de combustión contienen 3,3% O₂. En1400 K, los productos de la combustión en equilibrio contienen 0,03 % de NO y 0,002 % de OH. En1800 K, los productos de combustión contienen 0,17% NO, 0,05% OH, 0,01% CO y 0,004% H₂.

Los motores diesel funcionan con un exceso de oxígeno para quemar pequeñas partículas que tienden a formarse con solo una cantidad estequiométrica de oxígeno, lo que necesariamente produce emisiones de óxido de nitrógeno. Tanto los Estados Unidos como la Unión Europea imponen límites a las emisiones de óxido de nitrógeno de los vehículos, lo que requiere el uso de convertidores catalíticos especiales o el tratamiento del escape con urea (ver Líquido de escape diésel).

Combustión incompleta de un hidrocarburo en oxígeno.

La combustión incompleta (parcial) de un hidrocarburo con oxígeno produce una mezcla de gases que contiene principalmente CO₂, CO, H2O y H _{_} _₂. Dichas mezclas de gases se preparan comúnmente para su uso como atmósferas protectoras para el tratamiento térmico de metales y para la cementación de gases. La ecuación de reacción general para la combustión incompleta de un mol de un hidrocarburo en oxígeno es: {underset {dióxido de carbono}{{mathit {a}}CO2}}+{underset {monóxidodecarbono}{{mathit {b}}CO}}+{underset {agua}{{ mathit {c}}H2O}}+{underset {hidrógeno}{{mathit {d}}H2}}}}}">

Cuando z cae por debajo de aproximadamente el 50% del valor estequiométrico, CH₄puede convertirse en un importante producto de combustión; cuando z cae por debajo de aproximadamente el 35% del valor estequiométrico, el carbono elemental puede volverse estable.

Los productos de la combustión incompleta se pueden calcular con la ayuda de un balance de materia, junto con la suposición de que los productos de la combustión alcanzan el equilibrio. Por ejemplo, en la combustión de un mol de propano (C₃H₈) with four moles of O₂, se forman siete moles de gas de combustión y z es el 80% del valor estequiométrico. Las tres ecuaciones de balance elemental son:

• Carbón:
• Hidrógeno:
• Oxígeno:

Estas tres ecuaciones son insuficientes por sí solas para calcular la composición del gas de combustión. Sin embargo, en la posición de equilibrio, la reacción de cambio de agua-gas da otra ecuación: CO2 + H2}}}">;

por ejemplo, en1200 K el valor de K _eq es 0,728. Resolviendo, el gas de combustión consiste en 42.4% H ₂ O, 29.0% CO ₂, 14.7% H₂, y 13,9% CO. El carbono se convierte en una fase estable en1200 K y1 atm de presión cuando z es inferior al 30 % del valor estequiométrico, momento en el que los productos de la combustión contienen más del 98 % de H₂y CO y aproximadamente 0,5% CH₄.

Las sustancias o materiales que se queman se denominan combustibles. Los ejemplos más comunes son el gas natural, el propano, el queroseno, el diésel, la gasolina, el carbón vegetal, el carbón, la madera, etc.

Combustibles líquidos

La combustión de un combustible líquido en una atmósfera oxidante en realidad ocurre en la fase gaseosa. Es el vapor el que se quema, no el líquido. Por lo tanto, un líquido normalmente se incendiará solo por encima de cierta temperatura: su punto de inflamación. El punto de inflamación de un combustible líquido es la temperatura más baja a la que puede formar una mezcla inflamable con el aire. Es la temperatura mínima a la que hay suficiente combustible evaporado en el aire para iniciar la combustión.

Combustibles gaseosos

La combustión de combustibles gaseosos puede ocurrir a través de uno de los cuatro tipos distintivos de combustión: llama de difusión, llama premezclada, frente de reacción de autoignición o como detonación. El tipo de combustión que realmente ocurre depende del grado en que el combustible y el comburente se mezclan antes del calentamiento: por ejemplo, se forma una llama de difusión si el combustible y el comburente se separan inicialmente, mientras que de lo contrario se forma una llama premezclada. Del mismo modo, el tipo de quema también depende de la presión: una detonación, por ejemplo, es un frente de reacción autoinflamable acoplado a una fuerte onda de choque que le confiere su característico pico de alta presión y alta velocidad de detonación.

Combustibles sólidos

El acto de combustión consta de tres fases relativamente distintas pero superpuestas:

• Fase de precalentamiento, cuando el combustible no quemado se calienta hasta su punto de inflamación y luego el punto de combustión. Los gases inflamables comienzan a desarrollarse en un proceso similar a la destilación seca.
• Fase de destilación o fase gaseosa, cuando se enciende la mezcla de gases inflamables desprendidos con oxígeno. La energía se produce en forma de calor y luz. Las llamas son a menudo visibles. La transferencia de calor de la combustión al sólido mantiene la evolución de los vapores inflamables.
• Fase de carbón o fase sólida, cuando la salida de gases inflamables del material es demasiado baja para la presencia persistente de llama y el combustible carbonizado no se quema rápidamente y solo brilla y luego solo arde sin llama.

Gestión de la combustión

El proceso de calentamiento eficiente requiere la recuperación de la mayor parte posible del calor de combustión de un combustible en el material que se procesa. Hay muchas vías de pérdida en la operación de un proceso de calentamiento. Por lo general, la pérdida dominante es el calor sensible que sale con el gas de escape (es decir, el gas de combustión). La temperatura y la cantidad de gases de escape indican su contenido de calor (entalpía), por lo que mantener su cantidad baja minimiza la pérdida de calor.

En un horno perfecto, el flujo de aire de combustión coincidiría con el flujo de combustible para dar a cada molécula de combustible la cantidad exacta de oxígeno necesaria para provocar una combustión completa. Sin embargo, en el mundo real, la combustión no procede de manera perfecta. Combustible no quemado (generalmente CO y H₂) descargado del sistema representa una pérdida de poder calorífico (así como un peligro para la seguridad). Dado que los combustibles son indeseables en los gases de escape, mientras que la presencia de oxígeno sin reaccionar presenta preocupaciones ambientales y de seguridad mínimas, el primer principio del manejo de la combustión es proporcionar más oxígeno del que teóricamente se necesita para garantizar que se queme todo el combustible. Para metano (CH₄) combustión, por ejemplo, se requieren un poco más de dos moléculas de oxígeno.

Sin embargo, el segundo principio del manejo de la combustión es no usar demasiado oxígeno. La cantidad correcta de oxígeno requiere tres tipos de medición: primero, control activo del flujo de aire y combustible; segundo, medición de oxígeno de gases de escape; y tercero, medición de combustibles gaseosos. Para cada proceso de calentamiento, existe una condición óptima de mínima pérdida de calor de gases de escape con niveles aceptables de concentración de combustibles. Minimizar el exceso de oxígeno genera un beneficio adicional: para una temperatura dada de los gases de escape, el nivel de NOx es más bajo cuando el exceso de oxígeno se mantiene bajo.

La adhesión a estos dos principios se fomenta haciendo balances de materia y calor en el proceso de combustión. El balance de materia relaciona directamente la relación aire/combustible con el porcentaje de O₂en el gas de combustión. El balance de calor relaciona el calor disponible para la carga con el calor neto total producido por la combustión del combustible. Se pueden realizar balances adicionales de materiales y calor para cuantificar la ventaja térmica del precalentamiento del aire de combustión o del enriquecimiento en oxígeno.

Mecanismo de reacción

La combustión en oxígeno es una reacción en cadena en la que participan muchos radicales intermedios distintos. La alta energía requerida para la iniciación se explica por la estructura inusual de la molécula de dioxígeno. La configuración de energía más baja de la molécula de dioxígeno es un dirradical estable y relativamente no reactivo en un estado de espín triplete. El enlace se puede describir con tres pares de electrones enlazantes y dos electrones antienlazantes, con espines alineados, de modo que la molécula tiene un momento angular total distinto de cero. La mayoría de los combustibles, por otro lado, están en un estado singulete, con espines emparejados y un momento angular total cero. La interacción entre los dos es mecánicamente cuántica una "transición prohibida", es decir, posible con una probabilidad muy baja. Para iniciar la combustión, se requiere energía para forzar al dioxígeno a un estado de espín apareado u oxígeno singulete. Este intermediario es extremadamente reactivo. La energía se suministra como calor y la reacción produce calor adicional, lo que permite que continúe.

Se cree que la combustión de hidrocarburos se inicia por la extracción de átomos de hidrógeno (no la extracción de protones) del combustible al oxígeno, para dar un radical hidroperóxido (HOO). Este reacciona aún más para dar hidroperóxidos, que se rompen para dar radicales hidroxilo. Existe una gran variedad de estos procesos que producen radicales combustibles y radicales oxidantes. Las especies oxidantes incluyen oxígeno singlete, hidroxilo, oxígeno monoatómico e hidroperoxilo. Estos intermedios son de corta duración y no se pueden aislar. Sin embargo, los intermedios no radicales son estables y se producen en la combustión incompleta. Un ejemplo es el acetaldehído producido en la combustión de etanol. Un intermedio en la combustión de carbono e hidrocarburos, el monóxido de carbono, es de especial importancia porque es un gas venenoso, pero también económicamente útil para la producción de gas de síntesis.

Los combustibles sólidos y líquidos pesados ​​también sufren un gran número de reacciones de pirólisis que dan como resultado combustibles gaseosos que se oxidan más fácilmente. Estas reacciones son endotérmicas y requieren un aporte de energía constante de las reacciones de combustión en curso. La falta de oxígeno u otras condiciones mal diseñadas dan como resultado que estos productos de pirólisis nocivos y cancerígenos se emitan como humo negro y espeso.

La tasa de combustión es la cantidad de un material que se somete a combustión durante un período de tiempo. Se puede expresar en gramos por segundo (g/s) o kilogramos por segundo (kg/s).

Las descripciones detalladas de los procesos de combustión, desde la perspectiva de la cinética química, requieren la formulación de redes grandes e intrincadas de reacciones elementales. Por ejemplo, la combustión de combustibles de hidrocarburos normalmente implica cientos de especies químicas que reaccionan según miles de reacciones.

La inclusión de dichos mecanismos dentro de los solucionadores de flujo computacional aún representa una tarea bastante desafiante principalmente en dos aspectos. Primero, el número de grados de libertad (proporcional al número de especies químicas) puede ser dramáticamente grande; en segundo lugar, el término fuente debido a las reacciones introduce un número dispar de escalas de tiempo que hace que todo el sistema dinámico sea rígido. Como resultado, la simulación numérica directa de flujos reactivos turbulentos con combustibles pesados ​​pronto se vuelve intratable incluso para las supercomputadoras modernas.

Por lo tanto, se ha ideado una plétora de metodologías para reducir la complejidad de los mecanismos de combustión sin recurrir a un alto nivel de detalle. Los ejemplos son proporcionados por:

• El Método de Redistribución de la Relajación (RRM)
• El enfoque Intrinsic Low-Dimensional Manifold (ILDM) y desarrollos posteriores
• El método de curva de preimagen de borde de equilibrio restringido invariante.
• Algunos enfoques variados
• El método de perturbación singular computacional (CSP) y desarrollos posteriores.
• El enfoque de equilibrio restringido controlado por velocidad (RCCE) y cuasiequilibrio múltiple (QEM).
• El esquema G.
• El Método de Rejillas Invariantes (MIG).

Modelado cinético

El modelado cinético se puede explorar para conocer los mecanismos de reacción de la descomposición térmica en la combustión de diferentes materiales utilizando, por ejemplo, el análisis termogravimétrico.

Temperatura

Suponiendo condiciones de combustión perfectas, como una combustión completa en condiciones adiabáticas (es decir, sin pérdida o ganancia de calor), se puede determinar la temperatura de combustión adiabática. La fórmula que arroja esta temperatura se basa en la primera ley de la termodinámica y toma nota del hecho de que el calor de la combustión se utiliza en su totalidad para calentar el combustible, el aire de combustión u oxígeno y los gases de combustión (comúnmente denominados gases de combustión).

En el caso de combustibles fósiles quemados en el aire, la temperatura de combustión depende de todo lo siguiente:

• el poder calorífico;
• la relación aire-combustible estequiométrica ;
• la capacidad calorífica específica del combustible y el aire;
• las temperaturas de entrada del aire y del combustible.

La temperatura de combustión adiabática (también conocida como temperatura de llama adiabática) aumenta para valores caloríficos más altos y temperaturas del combustible y del aire de entrada y para relaciones de aire estequiométricas cercanas a uno.

Más comúnmente, las temperaturas de combustión adiabática para los carbones son de alrededor de 2200 °C (3992 °F) (para el aire de entrada y el combustible a temperatura ambiente y para ), alrededor de 2150 °C (3902 °F) para el petróleo y 2000 °C (3632 °F) para el gas natural.

En calefactores industriales, generadores de vapor de centrales eléctricas y grandes turbinas de gas, la forma más común de expresar el uso de más aire de combustión que el estequiométrico es el porcentaje de exceso de aire de combustión. Por ejemplo, un exceso de aire de combustión del 15 por ciento significa que se está utilizando un 15 por ciento más del aire estequiométrico requerido.

Inestabilidades

Las inestabilidades de combustión son típicamente oscilaciones de presión violentas en una cámara de combustión. Estas oscilaciones de presión pueden llegar a los 180 dB, y la exposición a largo plazo a estas presiones cíclicas y cargas térmicas reduce la vida útil de los componentes del motor. En cohetes, como el F1 utilizado en el programa Saturno V, las inestabilidades provocaron daños masivos en la cámara de combustión y los componentes circundantes. Este problema se resolvió rediseñando el inyector de combustible. En los motores a chorro de líquidos, el tamaño y la distribución de las gotas se pueden utilizar para atenuar las inestabilidades. Las inestabilidades de la combustión son una preocupación importante en los motores de turbina de gas basados ​​en tierra debido a _las emisiones de NOx. La tendencia es a funcionar pobre, una relación de equivalencia inferior a 1, para reducir la temperatura de combustión y así reducir la_emisiones de NOx; sin embargo, el funcionamiento de la combustión pobre lo hace muy susceptible a la inestabilidad de la combustión.

El criterio de Rayleigh es la base para el análisis de la inestabilidad termoacústica de la combustión y se evalúa mediante el índice de Rayleigh durante un ciclo de inestabilidad.

donde q' es la perturbación de la tasa de liberación de calor y p' es la fluctuación de la presión. Cuando las oscilaciones de liberación de calor están en fase con las oscilaciones de presión, el índice de Rayleigh es positivo y se maximiza la magnitud de la inestabilidad termoacústica. Por otro lado, si el índice de Rayleigh es negativo, se produce un amortiguamiento termoacústico. El Criterio de Rayleigh implica que una inestabilidad termoacústica se puede controlar de manera óptima al tener oscilaciones de liberación de calor desfasadas 180 grados con oscilaciones de presión a la misma frecuencia. Esto minimiza el índice de Rayleigh.