Combustión: Conceptos Clave, Tipos, Procesos y Aplicaciones

Conceptos Fundamentales de la Combustión y sus Aplicaciones

Definición de Combustión: La combustión es una transformación que convierte la energía almacenada en los enlaces químicos de determinados compuestos en calor, mediante un proceso de oxidación. Durante este proceso, los enlaces débiles se rompen, formando nuevos enlaces más fuertes y liberando energía.

Aplicaciones de la Combustión

• Obtención de energía o potencia.
• Obtención de eficiencia y rendimiento.
• Aplicaciones de carácter lúdico.
• Producción de calor o frío.
• Producción de trabajo.

Tipos de Carburantes y Propiedades del Aire en la Combustión

El aire atmosférico es el comburente más utilizado en los procesos de combustión. Se trata de una combinación de gases, principalmente:

• Nitrógeno (78%)
• Oxígeno (21%)
• Otras sustancias (1%), cuya proporción varía según la humedad.

Propiedades del aire:

• Expansión
• Contracción
• Fluidez
• Volumen
• Masa
• Densidad

Número de Octano y su Influencia en la Combustión

El número de octano indica la mayor o menor tendencia a la detonación que presenta un combustible. En los motores de encendido provocado (MEP), se buscan combustibles con baja tendencia a la autoignición y, por lo tanto, con un número de octano alto. Los valores RON (Research Octane Number) y MON (Motor Octane Number) indican la sensibilidad del combustible.

Temperatura Adiabática de Llama

La temperatura adiabática de llama se define como la temperatura alcanzada en la combustión cuando un combustible se quema en aire u oxígeno sin ganancias ni pérdidas de calor. Se considera que no se realiza ningún trabajo mecánico y que los únicos términos de energía que intervienen son la energía interna y el trabajo de fluidos.

Calor Latente de Vaporización

El calor latente de vaporización (Clv) es la cantidad de calor absorbida por una sustancia para alcanzar su punto de vaporización. Un Clv alto implica un buen rendimiento, pero puede afectar negativamente el arranque en frío.

Método Fischer-Tropsch

El método Fischer-Tropsch es un proceso químico para la producción de hidrocarburos líquidos a partir de gas de síntesis. Este método utiliza carbón como fuente de carbono, que se gasifica con vapor de agua para producir el gas de síntesis según la reacción:

C + H₂O → CO + H₂

Posteriormente, la mezcla CO/H₂ se convierte, mediante un catalizador específico, en hidrocarburos líquidos.

Tipos de Combustión Anormal en Motores de Encendido Provocado (MEP)

• Autoignición: Se produce en máquinas de compresión rápida y puede verse afectada por la naturaleza del combustible, la temperatura y la presión final de compresión.
• Detonación: Está relacionada con el tiempo de retraso del motor. La detonación ocurre si el tiempo de retraso (tr) es menor que el tiempo crítico (tcr).
• Encendido superficial: Causado por puntos calientes en la cámara, que pueden generar frentes de llama en cualquier momento del ciclo. Incluye postencendido y preencendido.

Fases de la Combustión por Difusión

1. Fase 1: Tiempo de retraso: No hay combustión. Es el tiempo que transcurre entre el comienzo de la inyección y el inicio de la combustión. Incluye retrasos físicos y químicos simultáneos.
2. Fase 2: Combustión rápida premezclada: Comienza con el autoencendido de todo el combustible mezclado durante el tiempo de retraso.
3. Fase 3: Combustión lenta por difusión: Controlada por la mezcla aire-combustible. La combustión ocurre cuando el dosado alcanza condiciones estequiométricas. Se quema el carburante restante de la fase 2 y todo el que se inyecta.
4. Fase 4: Combustión final muy lenta, por difusión.

Volatilidad de un Combustible

La volatilidad es la tendencia de una sustancia a evaporarse en determinadas condiciones de presión y temperatura.

Número de Cetano

El número de cetano es un parámetro que mide la tendencia a la autoignición de un combustible y está relacionado con el tiempo de retraso. En los motores de encendido por compresión (MEC), se requieren combustibles con un número de cetano alto para favorecer la autoignición.

Diferencia entre Deflagración y Detonación

• Deflagración: Presenta una discontinuidad de temperatura. La velocidad de combustión es menor que la velocidad del sonido.
• Detonación: Presenta una discontinuidad de presión. La velocidad de combustión es del orden de la velocidad del sonido.

Calor de Formación

El calor de formación se define como el calor liberado o absorbido cuando se forma un mol de una sustancia a partir de sus elementos constituyentes, en condiciones estándar (25 °C y 1 atm).