relación aire-combustible

La palabra "mezcla" es la que predomina en los textos de capacitación, manuales de operación y manuales de mantenimiento en el mundo de la aviación.

La relación aire-combustible es la relación entre la masa de aire y la masa de combustible en la mezcla aire-combustible en un momento dado. La masa es la masa de todos los componentes que componen el aire o el combustible, participen o no en la combustión. Por ejemplo, un cálculo de la masa de gas natural como combustible, que a menudo contiene dióxido de carbono ( CO₂).₂ ),nitrógeno(N₂ ), y variosalcanos— incluye la masa del dióxido de carbono, nitrógeno y todos los alcanos para determinar el valor de (m_combustible. ^{[ 2 ]} )

Para el octano puro , la mezcla estequiométrica es aproximadamente 15,1:1, o λ de 1,00 exactamente.

En los motores de aspiración natural que utilizan octano, la potencia máxima se alcanza frecuentemente con relaciones aire-combustible (AFR) que oscilan entre 12,5 y 13,3:1 o con un valor de λ de 0,850 a 0,901.

La relación aire-combustible de 12:1 se considera la relación de máxima potencia, mientras que la relación aire-combustible de 16:1 se considera la relación de máxima eficiencia de combustible.

La relación combustible-aire se utiliza comúnmente en la industria de las turbinas de gas , así como en estudios gubernamentales sobre motores de combustión interna , y se refiere a la proporción de combustible con respecto al aire.

${\displaystyle \mathrm {FAR} ={\frac {1}{\mathrm {AFR} }}}$

La relación de equivalencia aire-combustible, λ (lambda), es la relación entre la relación aire-combustible real y la estequiometría para una mezcla dada. λ  =  1,0 corresponde a la estequiometría, λ  < 1,0 a mezclas ricas y λ > 1,0  a mezclas pobres .  

Existe una relación directa entre λ y AFR. Para calcular AFR a partir de un valor de λ dado , multiplique el valor medido de λ por el AFR estequiométrico de ese combustible. Alternativamente, para recuperar λ a partir de un AFR, divida AFR entre el AFR estequiométrico de ese combustible. Esta última ecuación se usa a menudo como definición de λ .

${\displaystyle \lambda ={\frac {\mathrm {AFR} }{\mathrm {AFR} _ {\text{stoich}}}}}$

Debido a que la composición de los combustibles comunes varía estacionalmente, y debido a que muchos vehículos modernos pueden manejar diferentes combustibles al ajustarlos, tiene más sentido hablar de valores λ en lugar de AFR. ^{[ 3 ]}

La mayoría de los dispositivos prácticos de medición de la relación aire-combustible (AFR) miden la cantidad de oxígeno residual (para mezclas pobres) o de hidrocarburos no quemados (para mezclas ricas) en los gases de escape.

La relación de equivalencia combustible-aire , Φ (phi), de un sistema se define como la relación entre la relación combustible-oxidante y la relación estequiométrica combustible-oxidante. Matemáticamente,

${\displaystyle \phi ={\frac {\mbox{relación combustible-oxidante}}{({\mbox{relación combustible-oxidante}})_{\text{st}}}}={\frac {m_{\text{combustible}}/m_{\text{ox}}}{\left(m_{\text{combustible}}/m_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {n_{\text{combustible}}/n_{\text{ox}}}{\left(n_{\text{combustible}}/n_{\text{ox}}\right)_{\text{st}}}}}$

donde m representa la masa, n representa el número de moles y el subíndice st indica condiciones estequiométricas.

La ventaja de utilizar la relación de equivalencia sobre la relación combustible-oxidante es que tiene en cuenta (y por lo tanto es independiente de) los valores tanto de masa como molares del combustible y del oxidante. Consideremos, por ejemplo, una mezcla de un mol de etano ( C₂ H₆ ) y un mol deoxígeno(O₂ ). La relación combustible-oxidante de esta mezcla, basada en la masa de combustible y aire, es

${\displaystyle {\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{1\times (2\times 16)}}={\frac {30}{32}}=0.9375}$

y la relación combustible-oxidante de esta mezcla basada en el número de moles de combustible y aire es

${\displaystyle {\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}={\frac {1}{1}}=1}$

Claramente los dos valores no son iguales. Para compararlo con la relación de equivalencia, necesitamos determinar la relación combustible-oxidante de la mezcla de etano y oxígeno. Para ello, necesitamos considerar la reacción estequiométrica del etano y el oxígeno,

C ₂ H ₆ + 7 ⁄ 2 O ₂ → 2 CO ₂ + 3 H ₂ O   

Esto da

${\displaystyle ({\text{relación combustible-oxidante basada en la masa}})_{\text{st}}=\left({\frac {m_{{\ce {C2H6}}}}{m_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1\times (2\times 12+6\times 1)}{3.5\times (2\times 16)}}={\frac {30}{112}}=0.268}$

${\displaystyle ({\text{fuel-to-oxidizer ratio based on number of moles}})_{\text{st}}=\left({\frac {n_{{\ce {C2H6}}}}{n_{{\ce {O2}}}}}\right)_{\text{st}}={\frac {1}{3.5}}=0.286}$

De esta forma podemos determinar la relación de equivalencia de la mezcla dada como

${\displaystyle \phi ={\frac {m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}}{\left(m_{{\ce {C2H6}}}/m_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {0.938}{0.268}}=3.5}$

o, equivalentemente, como

${\displaystyle \phi ={\frac {n_{{\ce {C2H6}}}/n_{{\ce {O2}}}}{\left(n_{{\ce {C2H6}}}/n_{{\ce {O2}}}\right)_{\text{st}}}}={\frac {1}{0.286}}=3.5}$

Otra ventaja de usar la relación de equivalencia es que los valores mayores que uno siempre indican que hay más combustible en la mezcla de combustible y oxidante del necesario para una combustión completa (reacción estequiométrica), independientemente del combustible y el oxidante utilizados; mientras que los valores menores que uno representan una deficiencia de combustible o, equivalentemente, un exceso de oxidante en la mezcla. Esto no ocurre si se utiliza la relación combustible-oxidante, que toma valores diferentes para distintas mezclas.

La relación de equivalencia combustible-aire se relaciona con la relación de equivalencia aire-combustible (definida previamente) de la siguiente manera:

${\displaystyle \phi ={\frac {1}{\lambda }}}$

Las cantidades relativas de enriquecimiento de oxígeno y dilución de combustible se pueden cuantificar mediante la fracción de mezcla , Z, definida como

${\displaystyle Z=\left[{\frac {sY_{\mathrm {F} }-Y_{\mathrm {O} }+Y_{\mathrm {O,0} }}{sY_{\mathrm {F,0} }+Y_{\mathrm {O,0} }}}\right]}$,

dónde

${\displaystyle s=\mathrm {AFR} _{\mathrm {stoich} }={\frac {W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}}$,

Y _F,0 y Y _O,0 representan las fracciones másicas de combustible y oxidante en la entrada, W _F y W _O son los pesos moleculares de las especies, y v _F y v _O son los coeficientes estequiométricos del combustible y del oxígeno, respectivamente. La fracción de mezcla estequiométrica es

${\displaystyle Z_{\mathrm {st} }=\left[{\frac {1}{1+{\frac {Y_{\mathrm {F,0} }\times W_{\mathrm {O} }\times v_{\mathrm {O} }}{Y_{\mathrm {O,0} }\times W_{\mathrm {F} }\times v_{\mathrm {F} }}}}}\right]}$^{[ 4 ]}

La fracción de mezcla estequiométrica está relacionada con λ (lambda) y Φ (phi) mediante las ecuaciones

${\displaystyle Z_{\text{st}}={\frac {\lambda }{1+\lambda }}={\frac {1}{1+\phi }}}$,

arrogante

${\displaystyle \mathrm {AFR} ={\frac {Y_{\mathrm {O,0} }}{Y_{\mathrm {F,0} }}}}$^{[ 5 ]}

En calentadores industriales , generadores de vapor de centrales eléctricas y grandes turbinas de gas , los términos más comunes son porcentaje de exceso de aire de combustión y porcentaje de aire estequiométrico. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Por ejemplo, un exceso de aire de combustión del 15 por ciento significa que se está utilizando un 15 por ciento más que el aire estequiométrico requerido (o el 115 por ciento del aire estequiométrico).

Un punto de control de combustión se puede definir especificando el porcentaje de exceso de aire (u oxígeno) en el oxidante , o especificando el porcentaje de oxígeno en el producto de combustión. ^{[ 8 ]} Se puede utilizar un medidor de relación aire-combustible para medir el porcentaje de oxígeno en el gas de combustión, a partir del cual se puede calcular el porcentaje de exceso de oxígeno a partir de la estequiometría y un balance de masa para la combustión del combustible. Por ejemplo, para el propano ( C₃ H₈ ) combustión entre estequiométrica y con un 30 por ciento de exceso de aire (_masaentre 15,58 y 20,3), la relación entre el porcentaje de exceso de aire y el porcentaje de oxígeno es:

${\displaystyle {\begin{aligned}\mathrm {Mass\%\ O_{2}\ in\ propane\ combustion\ gas} &\approx -0.1433(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )^{2}+0.214(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )\\\mathrm {Volume\%\ O_{2}\ in\ propane\ combustion\ gas} &\approx -0.1208(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )^{2}+0.186(\mathrm {\%\ excess\ O_{2}} )\end{aligned}}}$