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2.3. Exceso de aire
Desde el punto de vista de la eficiencia se debe conseguir reacciones de combustión completas, cercanas a la combustión neutra o estequimétrica.
La relación entre la cantidad de aire introducida en el proceso de combustión y la necesaria, es el “coeficiente de exceso de aire” (n):
Donde:
n = 1 Combustión estequiométrica.
n < 1 Mezcla rica (falta de aire).
n > 1 Mezcla pobre (exceso de aire).
Como puede suponerse, la mayoría de las combustiones se producen fuera de la relación estequiométrica entre combustible y aire, por lo que se puede clasificar la combustión de una mezcla en función del nivel de aire existente.
Combustión con exceso de aire
Cuando la cantidad de aire aportada supera a la necesaria para la combustión estequiométrica se produce una combustión con exceso de aire. En estas condiciones la combustión puede ser completa o incompleta y recibe el nombre de mezcla pobre, puesto que la cantidad de combustible es insuficiente.
Ejemplo
En los motores diésel de combustión interna alternativos (motor de un coche) se buscan combustiones con excesos de aire, es por ello que algunos motores incorporan un eje llamado turbo que introduce una cantidad de aire mayor que la necesaria, con el fin de aportar una mayor potencia sin aumentar excesivamente la cantidad de combustible.
Combustión con defecto de aire
Cuando la cantidad de aire es insuficiente para poder realizar la combustión estequiométrica de la mezcla, se produce una combustión rica, ya que la cantidad de combustible empleada es mayor de la necesaria.
Ejemplo
Si realizamos la combustión del metano con defecto de aire:
Se producen residuos inquemados como el hidrógeno (H2) y el monóxido de carbono (CO) y, por lo tanto, una pérdida de producción de calor.
Lo ideal es realizar una combustión estequiométrica, sin embargo esto es técnicamente muy complicado, por lo que opta por realizar combustiones completas con exceso de aire y lo más cerca al punto de combustión estequiométrica. Debe tenerse en cuenta que cuanto mayor es el exceso de aire menor es el calor aprovechado, puesto que una parte del calor de la combustión se emplea en el calentamiento de humos, los cuales aumentan con el exceso de aire.
Importante
Es muy importante realizar correctamente la puesta a punto de la caldera de un edificio para evitar combustiones con exceso de aire que producen grandes cantidades de humos además de combustiones incompletas, las cuales contribuyen a un aumento innecesario de consumo de combustible.
Puesta a punto de una caldera
Lo más importante para lograr una correcta combustión es diseñar correctamente la cámara de combustión y el sistema de inyección, de manera que se consiga una correcta mezcla del combustible-aire. Los combustibles gaseosos son más flexibles a la hora de mezclarse con el aire, en cambio combustibles líquidos y sólidos realizan combustiones generalmente muy lejos de los puntos estequiométricos.
2.4. Diagramas de combustión
Los diagramas de combustión se emplean a la hora de realizar los cálculos de combustión de una forma precisa y rápida. El proceso de combustión genera gases cuyas proporciones dependerán de las concentraciones de aire y combustible en la mezcla. La composición de una combustión se puede representar mediante diagramas, además de ellos podemos obtener la relación de humos o productos de desecho de la combustión.
Diagrama de combustión
Los diagramas de combustión permiten calcular el exceso de aire del proceso, así como la composición de los humos, además de las proporciones de CO2 y oxígeno necesarios.
Diagrama de Ostwald
El diagrama de Ostwald determina el exceso de aire mediante el porcentaje de los gases que intervienen en la combustión.
En este diagrama podemos diferenciar los siguientes elementos:
1 Línea de combustión completa: es la línea que representa el proceso de combustión completa donde todo el carbono se transforma en CO2.
2 Rectas equivalentes en CO: son un conjunto de rectas paralelas a la línea de combustión completa que determina la cantidad de monóxido de carbono que se genera en una combustión incompleta.
3 Paralelas de exceso o defecto de aire: son un conjunto de líneas paralelas que indican el coeficiente de exceso de aire de la combustión.
Nota
La línea de aire o línea estiquimétrica divide el diagrama de Ostwald en dos zonas: una para las combustiones con exceso de aire y otra para las combustiones con defecto de aire.
El diagrama de Ostwald es muy útil para determinar el tipo de combustión que se lleva a cabo de una forma rápida y sencilla. Cada combustible presenta un diagrama distinto, por lo siempre debemos comprobar que se está empleando el diagrama correcto. Como limitación, el diagrama de Ostwald solo muestra las cantidades de CO producidas y no el resto de posibles productos inquemados.
Ejemplo
Mediante el diagrama anterior se va a analizar la clase de combustión que se lleva a cabo en un proceso, que como resultado de la medición se ha obtenido un 7% de CO2 y un 10% de O2.
RESULTADO
Si trazamos dos líneas con los datos aportados, el punto de corte nos indicará qué clase de combustión se está realizando.
En este caso, tenemos:
Como podemos ver en el punto de corte, la combustión se está realizando de forma incompleta con un exceso de aire.
Recuerde
“n” es el coeficiente de aire, donde su valor 1 indica que se realiza una combustión estequiométrica; mientras que en valores mayores de 1 se realizan combustiones con exceso de aire, y para valores inferiores a 1, combustiones con defecto de aire.
Diagrama de Keller
El diagrama de Keller se emplea para combustiones incompletas. En este diagrama, además de aparecer la cantidad de CO producida, también recoge la cantidad de hidrógeno (H2), así como algunos productos inquemados dependiendo del tipo de combustible. Se emplea para el cálculo de combustibles con alto contenido en H2 y cuando el índice de exceso de aire es relativamente bajo.
La forma de proceder al cálculo de una combustión con el diagrama de Keller es similar al proceso descrito en el cálculo del diagrama de Ostwald.
Diagrama de Kissel
El diagrama de Kissel se emplea para combustiones incompletas de gases, como puede ser el butano, el propano o el gas natural. El modo de trabajar con el diagrama de Kissel es similar al de Ostwald o Keller, donde introduciendo los valores de O2 y CO2 podemos obtener el punto de combustión de la mezcla.
Diagrama de Bunte
A diferencia de los diagramas de Ostwald y Keller, el diagrama de Bunte se emplea para procesos de combustión completa donde, gracias a la medición de los productos como el CO2 y el O2, puede obtenerse el grado de exceso de aire que se produce.
El diagrama de Bunte es muy útil a la hora de analizar el proceso de combustión completa, ya que permite identificar las posibles mejoras para conseguir una combustión estequiométrica.
Actividades
4. Según lo estudiado, ¿puede realizarse una combustión completa con defecto de aire? Argumente su respuesta.
Aplicación práctica
Está realizando el análisis de la combustión de una caldera; para establecer unos valores de combustión óptimos en el funcionamiento, debe ajustar la entrada de aire. Ha realizado la medición de los gases de escape y mediante el siguiente diagrama aportado por el fabricante obtiene unos productos de la combustión de 8% CO2 y 10% O2. Indique de qué tipo de combustión se trata y la cantidad de exceso o defecto de aire, así como el porcentaje de CO generado.
SOLUCIÓN
Trazando las rectas, se obtiene el siguiente punto de corte:
En este punto se observa lo siguiente: se trata de una combustión incompleta con exceso de aire donde el coeficiente n = 1,8 y la cantidad de CO producido es de 1%.
3. Combustibles
Los combustibles están constituidos por mezclas o combinaciones de varios elementos, sin embargo elementos que se encuentran en mayor proporción son el carbono y el hidrógeno; en algunos casos el azufre, tiene una presencia importante en la reacción. El carbono en contacto con el oxígeno del aire y el hidrógeno realiza una combustión exotérmica (desprendimiento de calor) que genera calor para ser transformado en muchos casos en trabajo.
El nitrógeno, el agua y las cenizas también forman parte de los elementos que intervienen en la reacción de combustión, siendo su presencia no deseada por causar pérdidas en el rendimiento del proceso.
Los combustibles convencionales pueden clasificarse según su origen (fósil o no fósil), según procedan de fermentaciones, según su utilización (de forma directa o manufacturada), pero su clasificación más importante se debe a su estado, donde pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos.
La fase en la que se encuentra el combustible es uno de los factores más importantes a tener en cuenta a la hora de diseñar el proceso de combustión, así como todos los dispositivos necesarios.
3.1. Combustibles sólidos. Tipos de instalaciones: biomasa
Dentro de los combustibles sólidos se puede diferenciar entre naturales, como la biomasa, el carbón o la madera, o artificiales como el coque, el carbón vegetal o los aglomerados, que se obtienen mediante la aplicación de calor sin existencia de aire (piro-generación).
| Clasificación de combustibles sólidos | |||
| Maderas y residuos vegetales | |||
| SÓLIDOS | NATURALES | Carbón | Turbas |
| Lignitos | |||
| Hullas | |||
| Antracita | |||
| ARTIFICIALES | Coques (carbón y petróleo) | ||
| Aglomerados y briquetas | |||
| Carbón vegetal | |||
Sabía que...
El carbón es el combustible sólido más empleado en la actualidad. Además, el carbón se usa como materia prima para la obtención de combustibles líquidos y gaseosos.
Tipos de instalaciones. Biomasa
Los combustibles sólidos se emplean tanto para la obtención de calor como para la transformación de este en energía o trabajo útil. Las instalaciones más usuales para la combustión de elementos sólidos son las calderas. Podemos encontrar los siguientes tipos:
1 Calderas de carbón.
2 Calderas de leña.
3 Calderas de biomasa.
Las calderas para combustibles sólidos presenta la desventaja de la necesidad de limpiar las cenizas producidas, además de la dificultad de controlar el proceso de combustión.
Las calderas y estufas de biomasa son una evolución de las calderas de leña o carbón, que aprovecha los desechos naturales procedentes de actividades agrícolas (hueso de aceituna, cáscara de almendra, desechos de madera, etc.) para generar calor de forma eficiente. El uso de calderas de biomasa se está implantando cada vez más debido al bajo coste del combustible y el buen rendimiento del proceso de combustión.
Estufa de biomasa
Actividades
5. Cite tres ejemplos de instalaciones de su entorno donde se empleen combustibles sólidos como elemento de combustión.
3.2. Combustibles líquidos. Tipos de instalaciones: gasóleo
La mayoría de los combustibles líquidos que se emplean en la actualidad provienen del petróleo, sin embargo también podemos encontrar alcoholes y residuos que pueden ser utilizados como combustibles en algunos procesos.
| Clasificación de combustibles líquidos | ||
| ALCOHOLES | Naturales (fermentación e hidrólisis) | |
| Artificiales | ||
| LÍQUIDOS | RESIDUALES | Lejías negras |
| DERIVADOS DEL PETRÓLEO | Gasóleos | |
| Fuelóleos | ||
Los combustibles líquidos para calderas se caracterizan por la viscosidad, debido a que el combustible debe circular a través de tuberías para ser pulverizado y atomizado en la cámara de combustión, con el objeto de mejorar el rendimiento de la reacción.
En algunos casos se procede a calentar previamente el combustible antes de ser introducido en la cámara de combustión con el objeto de disminuir la viscosidad del mismo, ya que esta es una propiedad física que disminuye conforme aumenta la temperatura.
Tipos de instalaciones. Gasóleo
Para combustiones con líquidos se emplean para diversas instalaciones tanto generadoras de calor, como productoras de energía (movimiento, electricidad).
Sabía que...
Las calderas en edificios a menudo emplean combustibles líquidos por la facilidad de transporte, el bajo peso en relación con combustibles sólidos, por ser más seguros que los combustibles gaseosos y por el reducido tamaño de la cámara de combustión.
En la industria se emplean comúnmente calderas con combustibles líquidos debido a que generan menos residuos sólidos que las calderas de carbón, sin embargo requiere de la utilización de quemadores especiales que vaporicen el combustible para conseguir una mejor mezcla con el aire.
El combustible más empleado en la industria es el gasóleo y el fuel-oil, aunque este último tiene su uso limitado por la normativa vigente y la potencia de la caldera.
El gasóleo puede obtenerse bien por la destilación del petróleo o bien por el tratamiento de diversos aceites vegetales. En España pueden encontrarse los tipos de gasóleos designados con las letras A, B o C. La aplicación de estas letras es para identificar el tipo de impuesto que se aplica en cada uno de ellos.
1 Gasóleo A: soporta el impuesto más alto y su uso es para vehículos.
2 Gasóleo B: está gravado con un impuesto menor, ya que su uso está destinado para su empleo en maquinaria agrícola.
3 Gasóleo C: se emplea en instalaciones de calefacción.
Gasóleo para automóviles
Actividades
6. ¿Por qué cree que en la industria se emplea el gasóleo como combustible líquido y no la gasolina?
3.3. Combustibles gaseosos. Tipos de instalaciones: gas natural y propano
Los combustibles gaseosos pueden provenir de residuos, de fuentes naturales, de tratamientos del petróleo o de fuentes artificiales.
| Clasificación de los gases | ||
| RESIDUALES | Fuel-gas | |
| GASEOSOS | GAS NATURAL | Diferentes familias |
| GASES LICUADOS DEL PETRÓLEO (GLP) | Propanos y butanos | |
| ARTIFICIALES O ELABORADOS | Gas de alto horno | |
| Gas de coque | ||
| Gas pobre | ||
| Gas de agua | ||
| Gas ciudad | ||
| BIOGÁS | ||
Los combustibles gaseosos presentan ventajas sobre los sólidos y líquidos por su facilidad de transporte y almacenamiento, así como el aporte de un mayor poder calorífico, debido a la facilidad de mezclarse con el comburente (aire).
Los gases combustibles naturales provienen de las siguientes familias:
1 Gas natural: se encuentra en yacimientos de petróleo, y está formado por una mezcla de hidrocarburos en la que el elemento con mayor presencia es el metano (CH4).
2 Gases licuados del petróleo (GLP): son gases resultantes de la licuación del petróleo de donde se obtiene gas propano y butano.
El gas Grisú está formado principalmente por metano, por lo que se considera también gas natural; sin embargo, su origen proviene de las bolsas de gas existentes en las minas de hulla.
El gas natural se emplea tanto en instalaciones de calefacción como en instalaciones de generadores de energía. Recientemente los gases combustibles se emplean en instalaciones de cogeneración, donde durante el proceso de generación de energía (electricidad) para una fábrica, se desprende calor que es aprovechado para otros procesos que requieren la aplicación de este. Con la cogeneración se consigue instalaciones más eficientes y un mayor aprovechamiento del combustible.
Actividades
7. Aunque el butano es un gas, este se almacena en forma líquida dentro de bombonas para su uso doméstico. ¿A qué cree que se debe este hecho? Infórmese sobre ello.
Aplicación práctica
Se va a realizar la construcción de una fábrica de yogures donde es necesaria la aportación de calor a diversos procesos de elaboración. Como técnico encargado del diseño de las instalaciones, debe decidir el tipo de combustible que va a emplear en la cadera. El único criterio que debe respetar es el de obtener el mayor rendimiento de la combustión, así como la mejor eficiencia de la instalación.
SOLUCIÓN
Debido a los criterios expuestos, el proceso más eficiente sería emplear calderas de combustibles gaseosos debido a que se produce una mezcla perfecta con el comburente (aire), obteniéndose procesos con mayores rendimientos que para combustibles líquidos o sólidos. Además podría dotar la instalación de un sistema de cogeneración donde poder generar electricidad y calor mediante una caldera de gas, consiguiéndose de este modo una instalación muy eficiente.
Otra ventaja que presenta el empleo de combustibles gaseosos es que no generan residuos en la caldera, como en el caso de emplear combustibles sólidos.
4. Resumen
La combustión es una reacción química donde la mezcla de combustible con comburente produce energía que puede ser aprovechada tanto para calentar como para generar energía.
Los combustibles pueden ser de tipo sólido, líquido o gaseoso, y provenir tanto de fuentes naturales como artificiales; aunque para obtener mayores rendimientos, los combustibles suelen tratarse para mejorar sus características.
Los diagramas de combustión permiten realizar cálculos de combustión de una forma precisa y rápida, por lo que su manejo constituye una herramienta muy útil para el diseñador de instalaciones de calefacción mediante combustibles.
El tipo de combustible a emplear en una instalación debe ser seleccionado conforme a los criterios específicos que debe reunir la instalación, atendiendo a las características técnicas de la misma, buscando siempre la optimización y eficiencia del proceso.
Ejercicios de repaso y autoevaluación
1. Para que se produzca una combustión, se necesita...
1 ... combustible.
2 ... comburente.
3 ... energía de activación.
4 Todas las opciones son correctas.
2. ¿Qué porcentaje de oxígeno y nitrógeno compone el aire?
3. La __________________ es la energía mínima inicial que necesita ser aportada a un sistema para desencadenar una reacción química.
4. Relacione y escriba una relación de combustión con estos elementos.
1 Metano
2 Agua
3 Oxígeno
4 Dióxido de carbono
1 CO2
2 O2
3 CH4
4 H2O
5. Nombre los factores que modifican la velocidad de combustión.
6. Cite tres tipos de combustiones en función de las proporciones de combustible y comburente en la reacción.
7. Complete la oración.
La ____________ es una reacción de combustión a muy alta velocidad, en la que no se produce explosión. Durante el proceso la llama avanza mediante la ___________ de la energía. Este fenómeno se produce cuando el combustible es altamente inflamable.
8. Desde el punto de vista de la eficiencia, se buscan combustiones con...
1 ... defecto de aire.
2 ... el aire necesario.
3 ... exceso de aire.
4 Las respuestas b. y c. son correctas.
9. El “coeficiente de exceso de aire” (n) es la relación entre la cantidad de aire introducida en el proceso de combustión y la necesaria. Un coeficiente de n = 1 indica...
1 ... que se trata de una combustión estequimétrica.
2 ... que se trata de una combustión con exceso de aire.
3 ... que se trata de una combustión con defecto de aire.
4 ... que la combustión ocurre a la presión de 1 atm.
10. Además de las proporciones de CO2 y oxígeno necesarios, ¿qué podemos calcular mediante un diagrama de combustión?
11. La línea que divide el diagrama de Ostwald en dos zonas, una para las combustiones con exceso de aire y otra para las combustiones con defecto de aire, recibe el nombre de...
1 ... línea de tierra.
2 ... línea de combustión.
3 ... línea de aire.
4 ... línea de activación.
12. Rellene la tabla.
Diagrama de Ostwald, Diagrama de Keller, Diagrama de Kissel, Diagrama de Bunte.
| Combustión completa | Combustión incompleta |
13. ¿Qué diagrama se emplea para combustiones incompletas de gases?
¿Y para las combustiones completas?
14. ¿De qué tres fuentes podemos obtener los combustibles líquidos?
15. De las siguientes afirmaciones, indique cuál es verdadera o falsa.
1 El gasóleo C se emplea en instalaciones de calefacción.VerdaderoFalso
2 El gas Grisú está formado principalmente por propano.VerdaderoFalso
3 La cáscara de almendra se emplea como combustible para calderas de biomasa.VerdaderoFalso
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