TOMO IV 15 de Diciembre de 1892 Núm. 23

ANA1~~D~lIN~TITUT~ D~ INGENI~R~~

INTRODUCCIONA LA METALURGIAGENERAL~

(Continuación)

Un problema de mayor interés para el metalurgista es de

comparar los combustibles que emplea al punto de vista del

precio de costo de ]a unidad calorífica. Supongamos que te-níamos á elegir un combustible entre 3 ó 4 especies diferentes

de precio y de cualidad. La primera cuestión que debemos re-solver es la potencia calorífica; cuando tendremos esta, fácil-mente calcularemos el precio de costo de la unidad calorífica-

Supongamos, carbón de leña, hulla y cake 'con sus potencias

re'~pectivas 7000, 7800 Y 7500, calorías vendidos á So pesos, 20

y 30 pesos la tonelada ó de 0,050, 0,020 Y 0,030 el qui]ógramo;

d 0,050' ['0,020 0,030]

.entonces ten remos ~ 7o o' _8 ' y-; pero como as cantI-, ° 7, 00 7,500

dades son muy pequeñas, multiplicamos por 100.000, para tener

el precio de 100.000 calorías.El precio de las 100.000 calorías serán entonces.

por e] carbón de leña valiendo 0,050 el kilógramo,

por ]a hulla. . . . . . . . . . . . . . .. 0,020por el cake. . . . . . . . . . . . . . .. 0,030

0,72

0,28

0,40

De manera que el precio de la unidad calorífica de]a hulla

estando de 1, el precio de ]a unidad de cake sería 1,60 y el delcarbón de leña sería 3; en este caso, se debería emplear la hulla

como más económica. ~. ~.~~~I') .,,' ~,~ 0~'". ",\Ii\ ~s f

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358 INTRODUCCIÓN Á LA METALURGIA GENERAL

POTENCIA CALORÍFICA.

El factor más importante en la industria metalúrgica es elcombustible, no solo se debe tener en cuenta el precio, pero

también otras propiedades como su facilidad de combustión, su

pureza, su carencia de humo, etc.

Sin embargo para tener una idea cabal de un combustible

se necesita determinar su potencia calorifica, sabido es que los

varios combustibles á pesos iguales producen cantidades desi.

guales de calor.Sabido es también que la potencia calorifica es proporcional

á la cantidad de calor de combustión.

La calorimetria enseña los procedimientos para determinar

la potencia calorífica de una manera experimenta1.En Jos fenómenos de combustión, que tanta importancia tienen

en la metalurgia, se produce calor á la vez por la combinación y

por la descompooición, sin embargo en las determinaciones ca-lorimétricas se miden en bloc todos esos calores. Resulta la difi-

cultad de calcular con exactitud la potencia calorifica de un com-

bustible de composición dada. Pero se aplican algunas reglasresultando de la experiencia que permitan una aproximación su-

ficiente en la práctica.

Recordamos: 1.° que el calor producido en la combinación de

dos cuerpos es siempre igual y, sino contrario al calor de des-

composición.2.° La cantidad de calor producida por un combusible es irt-

dependiente de la actividad de la combustión.3.° La cantidad de calor producida es independiente de la

proporción de oxigeno que se encuentra en el combureiüe.4.° En el fenómeno complejo de una combinación qllín1ica el

calor producido es la suma algebráica de las carttidades produci-

das por cada uno de los fenómenos en particular.

ÍNTRODUCCIÓN Á LA METALURGIA GENERAL 359

N ° entramos aquí en el papel de exponer los métodos de de-termihar ó calcular la potencia calorífica de los combustibles, co-

nocimientos que poseen ó deben poseer los estudiantes de me-

talurgia. Sin embargo recordamos las leyes de Dulong y de

Welter que permiten de calcular aproximativamente la potencia

calorífica de un combustible, sin otro dato que su composiciónquímica.

El calO]'producido por un combustible es igual á la suma de

las ca1ltz"dades de calor producidas por la combustión de los ele-

mentos que lo constzluyen, 1Z0teniendo cuenta de la porción de

hidróg-eno pudz'endo formar agua con el oxíg-eno del combustiblt.

(Ley de Dulon"r;.)Esta leyes expresada por la fórmula.

N = 8080 C + 34462 (H - T) (vapor de agua condensada)o

ó N = 8080 C + 29°°0 (H - 8) (vapor de agua no conden-sado. ) .

'l- N, potencia calorífica, C, carbono por kilógramo, H, hidró-geno.

O, oxígeno.

Supongamos un combustible compuesto de

C~rbono OR, 54; hidrógeno OK,06, oxígeno OR, 4°.

IRH Y 8 de oxígeno igualan 9R de agua; el + de los o,~o

= 0,05 = peso del hidrógeno que formara agua con el oxígeno.

Entonces la composición del combustible se expresará así:,Carbono 0,54, hidrógeno 0,06--.0,05 =0,01, agua =;°.45 (0,40

de O y 0,°5 de H.)Aplicando la fórmula anterior tendremos:

Potencia calorítlca = 8080 X 0,54 + 34462 x o,or = 4697 calo-rias, (vapor condensado,)

O potencia calorífica = 8080 X0,54 + 29°°0 -°.45 X 606,5:::2

43803 calorías (vapor no condensado.)

360 INTRODUCCIÓN Á LA ,METALURGIA GENERAL

Si en lugar de tener la composición elemental del combustible

teníamos solo su fórmula química, transformábamos esta en cen-tésimos.

Supongamos un combustible de fórmula C~H4.

C = 6, H = 1; C2H4= 12+ 4 = 16.

16 de C2H4 correspondiendo á 12 de carbono.

I de C2H1 corresponderá á :~ de carbono.

100 de C2H4 16 x 100 = 75 de carbonoá 16

La composición del combustible será entonces de

Carbono 75, Hidrógeno 25.

N = 8080 x 75 + 34462 x 25.

Se puede cplcular la composición centésimal de otra manera.Supongamos un combustible teniendo por fórmula química

C4H4:C4= 4 x 6; H4= 4; CH4= 24+4 = 28.

N = 8080 x ~~ + 34462 x -;8 = calorías.

La ley de Weher: (el calor jrodztÚdo en la combustión es jro-

jorÚonal á la cantidad de o1:fgeno absorbido,) da también una

fórmula simple que permite de calcularaproximativamente la

potencia calorífica de un combustible conociendo su composición.

N = m P o. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (l.)

N, potencia calorífica, Po, peso de oxígeno necesario á la

combustión de IK, m, coeficiente (calor producido por kilogr. de

oxígeno.) .Si 1 K d~ un combustible contiene los pesosC de cabono, H de hidrógeno.

INTRODUCCIÓN Á LA METALURGIA GENERAL 361

Como se necesita 16 de oxígeno para quemar 6 de carbono

8 de oxígeno para quemar I de hidrógeno'tendremos para

P 0= I~ C+8H= ~ C+8H== 8~ +8H=8 (~ +H.)La relación (1) puede desde luego escribirse.

eN=8m (T+H)

Cuando se queman gases como combustibles (carburos de,

hidrógeno) y que el vapor de agua producida se va con los

gases de la combustión sin condensarse, se debe sustraer de la

potencia calorífica calculada, suponiendo la condensación, el nú-

mero de calorías representando el calor de vaporización del agua.

Cada kilógramo de hidrógeno proto-carbonado produce 2K, 2.5de vapor de agua que se llevan

2K, 25 + 606,5 = 1364, cal 6'ide calor de vaporización, lo que reduce en este caso la poten-cia calorífica de CH4 á 13063-- 1364, 6 = 11698, 4 calorías.

Cada kilógramo de hidrógeno bi-carbonado produce IK, 285

de vapor de agua que se lleva.

IK, 285 x 6055, = 779, 8 calorías

y la potencia calorífica de C4H4 se reduce cuando no hay con-denzación

á 11857-779, 8 = 11077, 2 calorías.

El metalurgista no debe olvidar que la potencia calorífica es:1.° independiente de la manera de producir la combustión com-

pleta, 2.° independiente de la naturaleza del combustible y del

aire, 3." independiente de la presión bajo la cual se produce la

combustión; 4.° independiente de la proporciÓn de oxígeno con-tenido en el comburente.

362 INTRODUCCIÓN Á LA METALURGIA GENERAL

CANTIDAD DE COMBUSTIJi\LE PARA PRODUCIR UN EFECTO DADO

Como el combustible es generalmente costoso, se necesita no

gastarlo sin provecho; en buen servicio se debe quemar la can-

tidad indispensable para producir el efecto calorífico que se desea.La potencia calorífica es el elemento esencial de dicho cálculo.

El efecto calorífico corresponde á un cierto número de ca-

lorías para utilizarlas y por consecuencia á producidas. Si lla-mamos P, la potencia calorífica, N, el número de calorías á

producirlo, ~ nos dará la cantidad de combustible á quemar

para producir N calodas. Estando utilizada sólo una fracción n

de la potencia calorifica del combustible, la cantidad á quemar, N

s~ra entonces - l". n

. El q~e principia á estudiar metalurgia no puede desconocer

estas relaciones que le suministra la física industrial.Suponga'.mos que elmetalurgista debe calentar 20,000 metros

cúbicos de aire por hora á 50 grados en una chimenea de as-

piración en la cual la totalidad del calor sea utilizado, y que seemplee leña con 0.30 de agua. Potencia calorífica de dichaleña= 2650.

Peso del aire por calentar 20.000 X IR, 3 = 26000 kilógr.Calor especifico del aire = .::J.24.

Número de calorías producidas N = 26000R X0,24 x 50° =312000 calorías.

Cantidad de leña por quemar 312006 = 1172650 Kilógr.

Supongamos que se necesita en una fábrica metalúrgica 500Kde vapor de agua á rooo por hora, el agua de alimentación de

la caldera estando á cero, el calor de vaporización estando 637,

quien es la cantidad de hulla á quemar, utilizando los % del

INTRODUCCIÓN Á LA METALURGIA GENERAL 363

calor, potencia calorífica de la hulla 8000, los ~ de 8000son 6000.

La cantidad total del calor á producirla es

500B:x 637 = 318500 calorías;

la cantidad de hulla por quemar

3 18500 = 53K, 08 de hulla por hora.6000

En la práctica industrial generalmente los ensayos de poten-cias caloríficas están basados sobre el poder evaporante de los

combustibles. U n generador de vapor puede considerarse comoun calorímetro de construcción especial, la cantidad de calor que

recibe en un tiempo dado está medida por el número de kiló-

gramos de vapor producidos á una temperatura dada. Las fór-

mulas de Clausius ( y = 607 - 0,708 T) Y de Regnault

(C = 606,5 + o, 205 9°) expresan el calor total de vaporización.

S~ saca en la práctica, la potencia calorífica de un combustible

del mímero de kilógramos de vapor por medio de cada kiló-

gramo de combustible quemado; sin embargo la potencia calo-rífica así sacada representa solamente una parte del calor de

combustión ó del calor producido, porque se pierde una porción

del calor por las paredes del horno, los conductos y la que se

va con los productos de la combustión.

CANTIDAD DE AIRE NECESARIA Á LA COMBUSTIÓN

Para que el combustible pueda dar el máximum de calor se

exige también una combustión completa; y para obtener las tres

condiciones principales son necesarios: 1.° suministrar el volú-

men de aire que exige la combinación, 2.° asegurar la mezclaíntima de los gases, combustibles y comburentes, 3.° mantener

una temperatura que entretenga la combustión.

364 INTRODUCCIÓN Á LA METALURGIA GENERAL

Los estudiantes de ingeniería antes de ingresar al curso de

metalurgia deben estar al corriente de los tres problemas prin-cipales relativos á la combustión, á saber:

1.° Calcular el volumen de aire necesario á la combustión y

el volumen de los gases producidos;

2.° Determinación de la más alta temperatura que se puedaobtener con cada combustible; .

3.o Calcular la cantidad de calor llevada por los productos dela combustión.

Para señalar un caso concreto de la necesidad de las solu-

ciones anteriores citaremos, la determinación de las dimensiones

de una chimenea que exige el conocimiento del volumen de

aire llamado por hora en el foco; para que la combustión sea

completa el aire debe llegar en volumen suficiente. Además elvolumen de aire afluente sirve de base á los cálculos de las

dimensiones de los conductos que dan pasaje y salida á los pro-ductos de la combustión. Sabido es también que los combus-

tibles ingustriales son compuestos de carbono é hidrógeno;conociendo el volumen de aire para quemar IK de cada uno dedichos cuerpos, se calculará fácilmente, el volumen de aire ne-cesario á su combustiÓn.

La solución del primer problema depende de la composicióndel combustible.

Un metro cúbico de aire pesando IK, 214 contiene OK.278de

oxígeno y 0\ 94, de azoe, además vapor de agua Ok,01.° Yácidocarbónico Ok, 5°1. Resulta que el volumen de aire comburente

que contiene Ik de oxígeno es

Ik

0\278 = 3,m3 6,

y el peso del aire conteniendo Ik de oxígeno es

3m3,6 x Ik, 214 = 4k, 37.

INTRODUCCIÓN Á LA METALURGIA GENERAL 365

Si ahora consideráramos la combustión del carbono completo

y incompleto sacaremos los resultados siguientes:Combustión completa: formación de ácido carbónico. 6K de

carbono para pasar á CO2 (ácido carbónico) toman I6k de oxí-

geno; Ik de carbono para pasar á ácido carbónico tomará

~ = 2k 67 de oxigeno.6

El peso de oxígeno necesario á quemar Ik de carbono

era Ik. 68; el peso del aire necesario para quemar Ik de carbono

, k 6 100 Ksera 2. 7 x - = 11, 594.

23

Para suministrar á Ik de carbono estos 2,k67 de oxígeno senecesita un volumen de aire,de

2k67 X 3,m3 6 = I~ X 3, 6 = 9,m3 6 de aire;

el p~so del aire conteniendo estos 2K,67 de oxígeno será

K 16 K 6 K

4 37x g=4,37x2. 7=11,953.

los dos cá1culos lIegan al mismo resultado 11/95 de aire.Peso de los productos de la combustión:

1k carbono + 11 k, 594 aire = I2k, 594: 12,594-3, 677 = 8k9 17azoe.

Estos 12k, 594 contienen 3\ 67 de ácido carbónicode azoe.

2k 67Volumen del oxígeno = -] ' = I,m389 5

l' 43

+ 8k 91 7

k

Volumen del aire = 1 1 , 594 = 8,m:!7669Ik 293

Con el oxígeno el volumen del ácido carbÓnico es igual al vo-

lumen del oxígeno gastado, con el aire, el volumen de los pro-

366 INTRODUCCIÓN Á LA METALURGIA GENERAL

ductos de ]a combustión es igual a] volumen del aire -á la mis-

ma temperatura.En los focos industriales, principalmente, en los de generado-

res de vapor los volúmenes de aire empleados son todavía su-periores y es útil de tomar i de aire en exceso para tener un

rendimiento práctico máximum.Tomando así los i de] oxígeno empleados por]a combustión

se tendrá:

Volumen de aire necesario para quemar Ik de carbón

" 2889,m36x ~=-= 14m3,42 2

Peso del aire necesario para quemar I k de carbón

l Ik,953 x 3 = I i\4792

Se puede también calcular el volumen basándose sobre la

composición~quín1ica en volumen del ácido carbónico.

I volumen de vapor de carbono + 2 volúmenes de oxígeno = 2

volúmenes de ácido carbónico.

El volumen de 1k de vapor de carbono ó la unidad de pesoes Om3,9325.

El volumen de oxígeno es doble Óom3,9325 X 2 = Im3,8650; el

volumen del ácido carbónico producido es también = Im3,865O.

Vo]umel1 del aire 1m38650 X 100 = 8m3 9669, 20,8 ' .

En el caso que ]a combustión es incompleta se forma óxidode carbono, es decir C + O = C O.

6 de carbono + 8 de oxígeno hacen 14 de óxido de carbono1 de carbono combinándose con l ó 1\533 de oxígeno para for-

mar 11 = 2k,333 dG óxido de carbono ó Ik+ 1\333 = 2k,333deCO.

INTRODUCCIÓN Á LA METALURGIA GENERAL 367

Ik,333 es la mitad de 2k67.Resulta que el peso del oxígeno en el óxido de carbono es la

mitad de k cantidad necesaria para formar ácido carbónico.

En los aparatos metalúrgicos generalmente el óxido de car-bono se quema con el aire.

El peso de oxígeno necesario para quemar rk de carbono paraformar óxido de carbono es -~= r\333

El peso del aire para quemar r~' de carbono para formaróxido de carbono es r\333 x ]-zP;P= 5\797.

El peso de los productos de la combustión es la suma:

2k,333 de óxido de carbono +4\464 de azoe=6k,797;

El volumen de oxígeno necesario á la combustion es

rk,333 = 1,865 = Om3,93251k, 43 2

El volumen del aire 5,797 =4m238"4.r 293 .)

Volumen del óxido de carbono doble del oxígeno ó

Om:\9325 x 2 = rm'\8650

Volumen de los gases de la combustió"n

4m\4834 + Om3,9325= 5m3,4r 59

El hidrógeno es el otro elemento que en los combustibles

produde calor por su combustión quemándose con el oxígeno

ó con el aire para formar vapor de agua.

rk de hidrógeno exige 8k de oxígeno para formar 9kde vapor

de agua; el peso de aire necesario para quemar rk de hidróge-no es

100 X r 00 x 8 k 8 d.

- = ~; x = = 34,7 4 e aIre23 S 23

Volumen de rk de hidrógeno = . 1 = r rm\ r 700\0897

368 INTRODUCCIÓN Á LA METALURGIA GENERAL

Volumen del oxígeno8

¡k,43 :z:: Sm3,S8S

Volumen del vapor de agua

Se ve que:

Volumen vapor de agua= ¡ ¡m3,I7°, igual aldrógeno,

Volumen del oxígeno ¡¡,¡70=Sm3565 igual á la mitad del2

9k

0,806 = ¡ Im\ ¡ 70

volumen del hi-

volumen de hidrógeno.

Volumen del aire - 34k,784 = 26m385°- ¡K,293

Volumen de los produc~os de la combustión por el aIre esigual á volumen del aire 26,m3 850+ mitad del volumen del h~-

drógeno 5m3585=32m3, 525.

En resumen la cantidad de aire necesario para quemar Ik de '

hidrógen~ es: 1.° en volumen 3, 6 x 8 = 28m3, 8, 2.° en peso

4,37 x 8 = 34k , 96.

Suponiendo como anteriormente que los ~del oxígeno sean

consumidos, la cantidad del aire empleada será

1.° en volumen 28m3, 8 X-L = 43m3. 22

2.° en peso 34k, 96 + ---L= 52k ,342

El óxido de carbono es un combustible; el metalurgista debe

poder calcular la cantidad de oxígeno y de aire que necesita sucombustion; lo mismo sucede con los hidro-carburos de la gosa-

gen os.Sabemos que 14.de óxido de carbono se combinan con 8 de

oxígeno para formar 22 de ácido carbónico; el peso de oxígeno

INTRODUCCIÓN Á LA METALURGIA GENERAL 369

para quemar Ik, de óxido de carbono es ~= Ok, 5714; re-I4

sulta que Ik de carbono + o, 57 14 de óxido de carbono = Ik , 5714de ácido carbónico; el peso necesario para quemar Ik de óxido

o 5714 x 100de carbono es ' = 2k 483

23

Peso del azoe contenido en el aire 2k , 483-0,5714 = Ik , 9116.

Volumen del oxígeno Ok, 5714 =om3, 399Ik, 43

Volumen del aire 2k, 4~= 1m3, 920~293

Volumen del acido carbónico ~~=om3, 795{k 977

'.1

Si el combustible era el hidrógeno proto carbonado C2 H 4

C2 H4o+80=2C02+4 HOó 16 (C2 H4o)+64 (0)+44(C02)+36 (CO)ó I(C2 H4o)+4 (0)=2,75 (C02)+2,25 (HO).Para quemar Ik de C2 H4o, se necesita 4k de oxígeno, forman-

dose 2k 75 de ácido carbónico + 2k 25 de vapor de agua.

Peso de aire necesario para quemar I k de C 2 H 4 = 4 x 100 = 17k ,23

399.

Peso del oxígeno 4k .

Volumen del oxígeno - ]~2m3, 798l' 43

Volumen de ácido carbónico 2k, 7L= 1m3, 3991,977

37° ÍNTRO1)UCCIÓN A LA METALURGIA GENERAL

2k rySVolumen del vapor de agua ' - ,= 2m3, 798

0,068

17k 39 1Volumen del aire '-= I3ill3A52

J,293

En la práctica industrial, generalmente, con los combustiblesusuales se toma un volumen doble del volumen teórico.

En los varios calculo s que nos han dado los volumenes de los

productos de la combustión no hemos calculado las variacio-nes de volumen con la temperatura; debemos hacer esta rectifi-

cación en los volumenes de los gases que salían por las chimeneas,Si el combustible era formado de carbono puro, como el áci-

do carbónico tiene un volumen igual al volumen del oxígeno, el

volumen del aire que saldría sería igual al volumen del aire que'ha entrado dilatado á la temperatura de la chimenea; pero si e

combustiQ]e además del carbón, contiene los elementos del aguahidrógeno ó hidrógeno y oxígeneo, los gases de la combustión

que se van á fuera contienen ácido carbónico y vapor de agua,Calculemos estos volúmenes gaseosos.

Sean, t, te~1peratura de los gases de la chimenea,

e, temperatura del aire exterior,

Volumen de 1 metro cúbico del aire exterior pasando por la chi-

menea = 1 + 0,00 367 x t1+0,00 367 x e

1+ 0,0°367 x t1 + 0,00367 x e

lk de agua prodUce 1m3696 de vapor de agua á rooO y á 760 mm

de presión; á t grados, dicho volumen á 760mm será

1,696 (1 +0,00 367X!)1 + 0,00367 x roo

.INTRODUCCIÓN Á LA METALURGIA GENERAL 371

pues los volúmenes á la misma presión son proporcionales a lcsbinómios de dilatación

1m3, 196. . . . . . . . . . . .1 + 0,00 367 X 100

X . . . . . . . . . . . . 1+ 0,00 367 X t

X 1 +0,00 367 X t . - 1,696 (1 +0,00367 X t- X ~-, x-1,696 1 + 0,00 367 X 100 1 + 0,00 367 X 100

Ik de hidrógeno produce 9k de vapor de agua, el volumen de

vapor producido por este kilógr. de hidrógeno en exceso será

1,696 (r +0,00367 X t) 91 + 0,00 367 x 100

y el exceso de volumen producido en los gases de la combustionpor Ik de hidrógeno libre será

';¡-1,696 (1 +0,0?--l6L~) 9

251 +0,00 367 X TOO

En la práctica industrial el peso del aire introducido por rk de

hulla varía entre 12 Y 24 kilogramos; con 12k es bastante para

que haya una combustión completa; con 24k la temperatura dis-

minuye: ganeralmente el consumo en término medio es de

ISk á 18k de aire por kilogramo de hulla.

ALFONSO N OGUES.

~..