La mezcla combustible estequiométrica (del griego στοιχεῖον “base; elemento” + μετρέω “yo mido”) es una mezcla de oxidante y combustible , en la que hay exactamente suficiente oxidante para oxidar completamente el combustible.
La mezcla estequiométrica asegura la combustión completa del combustible sin exceso de residuos oxidantes en los productos de combustión.
La relación entre la cantidad de oxidante y la cantidad de combustible en el proceso de combustión o en la mezcla combustible-oxidante se mide como una relación de masas, o en términos de volúmenes, o en términos de número de moles . En consecuencia, existen relaciones de masa , volumen y molares :
donde están las masas del comburente y el combustible; — volúmenes de comburente y combustible; es la cantidad molar de comburente y combustible (número de moles).Para mezclas gaseosas de combustible y comburente de acuerdo con la ley de Avogadro
Si en el proceso de una reacción química de combustión en los productos de combustión no hay un oxidante libre ni combustible sin quemar, entonces tal relación de combustible y oxidante se llama estequiométrica.
Por ejemplo, la reacción de combustión de hidrógeno en oxígeno con coeficientes estequiométricos:
.En esta reacción, los productos de la combustión (en el lado derecho de la ecuación) no contienen ni combustible ni agente oxidante, y 2 moles de hidrógeno requieren 1 mol de oxígeno o, según la ley de Avogadro, 2 volúmenes de hidrógeno 1 volumen de oxígeno, o 4 g de hidrógeno 32 g de oxígeno, es decir, con combustión completa de hidrógeno sin exceso de oxígeno: Estos valores numéricos se denominan relaciones estequiométricas.
Las relaciones estequiométricas dependen del tipo de combustible y comburente, por ejemplo, en la reacción de combustión del metano en oxígeno:
La relación de exceso de comburente es la relación entre la relación real de comburente/combustible y la relación estequiométrica:
además , no depende de qué forma se determina la relación comburente/combustible por masa, molar o volumétrica. Obviamente, en una relación estequiométrica, el comburente/combustible
Las mezclas de combustible/oxidante se denominan mezclas ricas y mezclas pobres.
En la literatura científica y técnica extranjera, el coeficiente de exceso de oxidante generalmente se denota con la letra
También se utiliza un parámetro, denominado relación de exceso de combustible , el recíproco de la relación de exceso de comburente.
El agente oxidante más utilizado es el oxígeno atmosférico, por lo que a menudo se utiliza el concepto de relación aire/combustible : la relación entre la masa o el volumen de aire y la masa o el volumen de combustible:
dónde están las masas de aire y combustible; — volúmenes de aire y combustible.A veces, cuando se calcula según ecuaciones estequiométricas de combustión, se utiliza la relación molar de aire a combustible, mientras que se considera que el peso molecular del aire es aproximadamente igual a 29 g/mol.
donde es la cantidad molar de aire y combustible (número de moles).Combustible | |||
---|---|---|---|
Hidrógeno | 34.2 | 2.43 | 2.4 |
Metano | 17.2 | 9.66 | 9.5 |
Propano | 16.1 | 24.2 | 23.5 |
Butano | 15.4 | 30.8 | 31.0 |
Gasolina B-70 | 14.7 | 9430 | 54.2 |
El aire contiene otros gases que no intervienen en el proceso de combustión, principalmente nitrógeno con una concentración volumétrica (y molar) de alrededor del 78%. Para calcular la relación aire/combustible estequiométrica, este nitrógeno y otros gases inertes deben ser tomados en cuenta en la ecuación de la reacción química, para simplificar los coeficientes de la ecuación, asumimos que en el aire hay 4 moléculas (volumen) de nitrógeno por 1 molécula (volumen) de oxígeno, entonces la ecuación para la combustión del metano en el aire será:
,de donde se sigue que para 1 volumen de metano para la combustión estequiométrica en aire se requieren aproximadamente 10 volúmenes de aire, más precisamente 9,66 volúmenes, la discrepancia se debe a que la ecuación no tiene en cuenta el argón del aire con un concentración de aproximadamente 1 vol. % y el valor volumétrico exacto de la concentración de oxígeno en el aire es 20,95%.
Las relaciones aire/combustible estequiométricas para algunos combustibles se dan en la tabla para aire a 25°C y 100 kPa .
La relación entre el volumen o masa real de aire y el volumen o masa estequiométrica de aire se denomina coeficiente de exceso de aire [1] :
El coeficiente de exceso de aire es siempre igual a uno para una mezcla estequiométrica. Pero en la práctica, en los motores de combustión interna (ICE) este coeficiente difiere de 1. Por ejemplo, 1.03-1.05, que es óptimo desde el punto de vista de la eficiencia para motores con encendido por chispa, este exceso se debe a que debido a mezcla imperfecta de combustible con aire en el carburador o cilindro de un motor de inyección de combustible, se necesita un pequeño aumento para la combustión completa del combustible . Por otro lado, la mayor potencia del motor, en igualdad de condiciones, se logra cuando se opera con mezclas más ricas ( ). La figura muestra la dependencia de la potencia y la eficiencia de un motor de encendido por chispa y la relación aire/combustible para gasolina en algunos valores . Así, para la gasolina, la relación estequiométrica aire/combustible en peso es de 14,7; para una mezcla de propano y butano, esta relación es de 15,6.
En los motores modernos, el mantenimiento cercano al óptimo se lleva a cabo mediante un sistema automático de control de la relación aire/combustible. El sensor principal en tales sistemas es el sensor de concentración de oxígeno libre en los gases de escape del motor, la llamada sonda lambda .
En los motores diésel, para evitar una fuerte formación de hollín , se mantienen a un nivel de 1,1…1,3 [2] .
En la cámara de combustión de una turbina de gas, por ejemplo, un motor de avión, se mantiene cerca de 1. Pero delante de los álabes de la turbina, para reducir la temperatura del gas, por razones de resistencia al calor de los álabes, el gas de la cámara de combustión se diluye con aire tomado del compresor de la turbina, el cual reduce su temperatura de aproximadamente 1600°C a 1300…1400°C, por lo tanto, en los gases de escape de la turbina , es mucho más de 1 y alcanza 5.
en tales calderas depende significativamente del tipo de combustible. En calderas de gas de pequeña potencia o productividad es 1.2 ... 1.4, en calderas de gran potencia que queman gas natural - 1.03 ... 1.1. En calderas que funcionan con combustibles líquidos y sólidos, para completar la combustión , se mantiene en el rango de 1.5 a 2 ... 3.