1. Combustin y tipos de combustin.

La reaccin de combustin se basa en la reaccin qumica exotrmica de

una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxgeno.

Es caracterstica de esta reaccin la formacin de una llama.

La reaccin de combustin puede llevarse a cabo directamente con el

oxigeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxgeno,

llamada comburente, siendo el aire atmosfrico el comburente mas

habitual.

La reaccin del combustible con el oxgeno origina sustancias gaseosas

entre las cuales las ms comunes son CO2 y H2O. Se denominan en forma

genrica productos, humos o gases de combustin. El combustible slo

reacciona con el oxgeno, por lo tanto el nitrgeno del aire pasar

directamente a los humos.

Entre las sustancias mas comunes que se pueden encontrar en los productos

o humos de la reaccin se encuentran: * CO2 * H2O como vapor de agua *

N2 * O2 * CO * H2 * Carbono en forma de holln * SO2.

Dependiendo de cmo se produzcan las reacciones de combustin, hay

distintos tipos:

1.1. Combustin completa.

Ocurre cuando las sustancias combustibles reaccionan hasta el

mximo grado posible de oxidacin. En este caso no habr presencia

de sustancias combustibles en los productos o humos de la reaccin.

1.2. Combustin incompleta.

Se produce cuando no se alcanza el grado mximo de oxidacin y

hay presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de la

reaccin.

1.3. Combustin estequiomtrica o terica.

Es la combustin que se lleva a cabo con la cantidad mnima de aire

para que no existan sustancias combustibles en los gases de

reaccin. En este tipo de combustin no hay presencia de oxigeno

en los humos, debido a que este se ha empleado ntegramente en la

reaccin.

1.4. Combustin con exceso de aire.

Es la reaccin que se produce con una cantidad de aire superiror al

mnimo necesario. Cuando se utiliza un exceso de aire, la

combustin tiende a no producir sustancias combustibles en los

gases de reaccin. En este tipo de combustin es tpica la presencia

de oxgeno en los gases de combustin.

1.5. Combustin con defecto de aire.

Es la reaccin que se produce con una menor cantidad de aire que el

mnimo necesario. En este tipo de reaccin es caracterstica la

presencia de sustancias combustibles en los gases o humos de

reaccin.

Ejemplo de reaccin de combustin.

2. Definicin de llama y tipos.

La llama se define como el medio gaseoso en el que se desarrollan las

reacciones de combustin; aqu es donde el combustible y el comburente se

encuentran mezclados y en reaccin. Puede adoptar diferentes formas,

segn el medio tcnico, y tambin la forma del quemador.

El frente de llama es la zona qe marca la separacin entre el gas quemado y

el gas sin quemar. El espesor del frente de llama puede ir desde menos de

1mm hasta ocupar totalmente la cmara de combustin.

La propagacin de la llama es el desplazamiento de sta a travs de la masa

gaseosa. Se efecta en el frente de llama. La velocidad de propagacin va a

depender de la transmisin de calor entre la llama y las zonas contiguas

(gases quemados y no quemados).

Para que la llama comience y quede estable, se debe estabilizar el frente de

llama. Para ello, se debe coordinar la velocidad de escape de gases y de

propagacin de la llama con la entrada de comburente (aire) y combustible.

Para que tenga lugar la combustin es necesario que se alcance la

temperatura de ignicin, que es aqulla a la cual la mezcla

combustible/comburente no se extingue, aunque retiremos la llama de

encendido.

La inflamabilidad de una mezcla gaseosa se define como la capacidad de

propagarse la llama iniciada en uno de sus puntos. Solo se habla de

inflamabilidad a temperaturas inferiores a la de ignicin. La inflamabilidad

depende de la velocidad de propagacin de la llama. La mezcla

estequimtrica combustibles/comburente es siempre inflamable, debido a la

alta temperatura que se alcanza.

Hay dos composiciones combustibles/comburente que nos dan los lmites

de inflamabilidad:

Inferior: [combustible] < [estequiomtrica]

Superior: [combustible] > [estequiomtrica]

Estas composiciones lmite dependen de las condiciones externas, como

pueden ser la presin o la geometra de la cmara de combustin. Adems

de los lmites de inflamabilidad, tambin se definen estas otras magnitudes,

como el intervalo de la temperatura de la llama y el intervalo de presiones.

2.1. Clasificacin de las llamas.

Las llamas se clasifican en tres grupos atendiendo a los parmetros

para un combustible lquido:

2.1.1. Mezcla combustible comburente.

2.1.1.1. Llama de premezcla

La mezcla de los dos fludos se realiza total o parcialmente

antes de alcanzar la cmara de combustin.

2.1.1.2. Llama de difusin (sin mezcla previa)

El combustible y el comburente se mezclan justo en el

momento de la combustin.

2.1.2. Velocidad de la mezcla de combustible

2.1.2.1. Laminar

Los fenmenos de mezcla y transporte ocurren a bajas

temperaturas.

2.1.2.2. Turbulento

La velocidad de la mezcla aire/combustible es elevada La

mezcla vaporizada suele salir silbando y en forma de

torbellino.

2.1.3. Posicin de la llama respecto a la boca del quemador.

2.1.3.1. Llama estacionaria

El combustible se va quemando poco a poco al pasar por

una determinada parte del sistema. Este es el tipo de llama

ideal desde el punto de vista industrial.

2.1.3.2. Llama explosiva libre

Es la que est en movimiento.

3. Parmetros de combustin.

Si queremos aprovechar toda la energa de un combustible es necesario que

la combustin se realice en las mejores condiciones posibles. Hablaremos

de la correccin en la realizacin de la combustin.

Para aprovechar bien la energa que se desprende en la reaccin de

oxidacin de los elementos combustibles es necesario que se realice en las

mejores condiciones posibles. Para ellos deberemos hacer que todo el

carbono se transforme en CO2, que no haya inquemados slidos o

gaseosos, que no haya prdidas de calor por la formacin de inquemados,

que el aire sea bien empleado en todo el proceso de combustin.

Cumpliendo todo estos requisitos tendramos la combustin completa.

Combustin estequiomtrica

Consideramos como elementos combustibles el C, H2y el S. Despus de

resumir en una tabla la composicin de los elementos, las reacciones de

combustin, los moles de combustible y de comburente y los gases de

combustin, procederemos a realizar diferentes clculos.

El volumen de los gases de combustin lo calcularamos de la siguiente

manera:

Gas Volumen de gases de combustin (VGC)

CO2 V

CO2 = 224*n

CO2

H2O V

H2O = 224*n

H2O

SO2 V

SO2 = 224*n

SO2.

Vtotal

= VCO2

+VH2O

+VSO2

Queremos ahora saber los moles mnimos, es decir, la cantidad mnima de

oxgeno necesaria para la reaccin de combustin. Este aire nos lo va a

aportar el aire. Como sabemos el aire est formado, en volumen, por 79%

de N2 y un 21% de O2. El aire mnimo, referido al porcentaje de oxgeno,

ser:

Hay que tener en cuenta que este aire se toma directamente de la atmsfera,

y que esto implica que las condiciones en las que est este aire pueden

variar: humedad relativa, temperatura, presin vapor, presin real.

Esto implica que para la cantidad de aire necesaria hace falta un aire

hmedo en una cantidad superior. El aire hmedo mnimo viene dado por:

Amh

= F*Am

El parmetro F (factor de correcin) viene dado por:

donde PS: presin de saturacin (a la temperatura del aire)

Pr: Presin atmosfrica

De esta manera, Amh

est en C/N, pero est claro que el aire que vamos a

tomar de la atmsfera no va a estar en esas condiciones de manera general.

Si se cumplen las condiciones del gas ideal, entonces podremos poner que:

El nitrgeno aportado por el aire pasa directamente a los gases de

combustin.

Para que pueda realizarse la combustin completa va a ser necesario

aportar un exceso de aire. Tendremos entonces cierta cantidad de oxgeno

que no reacciona y N2 adicional, que es la cantidad que difiere de la

cantidad terica.

El exceso de aire se mide por el ndice de exceso de aire, que es el cociente

entre el aire real y el aire mnimo.

ndice de exceso de aire = Exceso de aire = n-1 % de exceso de aire =

100(n-1)

Los combustibles que requieren menos porcentaje de exceso de aire para su

combustin son los gaseosos, y los que ms, son los slidos.

Si tenemos exceso de aire, en los gases de combustin tendremos:

CO2, H2O, SO2, Oxgeno en exceso: O2 del exceso de aire O2 mnmo,

N2 del exceso de aire.

Lo que hay que calcular es:

O2m, Am, Amh, Ar, n(ndice de exceso de aire), %(n-1)

En cuanto a los humos que se produce, sern hmedos y secos:

HTH

= CO2 + H

2O + SO

2 +(O

2ex-O

2min)+N

2ex

HTS

= HTH

- H2

Composicin y cantidades de los gases de combustin:

Se refieren siempre a la cantidad de combustible que se ha quemado. La

composicin de los gases de combustin se hace estableciendo relacin

entre los gases que se producen; est relacin puede ser de porcentaje en

peso y en volumen, de tanto por 1,...

Clculo rpido de aire y gases de combustin:

Para combustibles lquidos, en caso de que no se conozca la composicin

excata, se pueden usar unas grficas que nos ayudan a determinar el aire

mnimo y los gases de combustin de una manera aproximada.

Combustin incompleta.

La combustin incompleta es aquella que se realiza sin que todo el carbono

del combustible pueda transformarse en CO2. Se va a realizar, pues, con

defecto de oxgeno, o lo que es lo mismo, con defecto de aire. Las

reacciones que van a tener lugar son:

H2+ O2- - - - -H2O

S + O2- - - - - - - - SO2

En la combustin incompleta no todo el carbono se transforma en CO2, por

lo que se forman inquemados, tanto slidos (holln) como gaseosos (CO).

Los clculos a efectuar en este tipo de combustiones son los mismos que en

la combustin completa, solo que deberemos conocer la fraccin de

carbono que se transforma en CO2

y en CO. Una vez conocido este dato, el

resto de los clculos sern anlogos a los realizados para la combustin

completa. Una diferencia con la combustin completa est en la

composicin de los gases de combustin, que ahora contendrn: HTH

:

CO2+CO+H

2O+SO

2+N

2 H

TH: CO

2+CO+H

2O+N

2+O

2 esto cuando hay

exceso de aire.

4. Diagramas de combustin.

Los diagramas de combustin nos permiten efectuar clculos de

combustin de una forma rpida y bastante precisa. El realizar estos

diagramas es ciertamente complicado. Los principales diagramas son los

de Gunte, Ostwald, Keller. Cada diagrama vara para cada combustible.

4.1. Gunte: Este diagrama es vlido para el estudio de la combustin completa y es aplicable a todo tipo de combustibles

4.2. Ostwald: Este diagrama es vlido para combustiones incompletas, con inquemado formados solamente por CO (no se forman por tanto

hollines). Este tipo de diagramas da buen resultado para ndices de

exceso de aire elevados.

4.3. Keller: Es vlido para combustiones incompletas. Tenemos adems de CO y H

2, los inquemados. Es vlido para combustibles con alto

contenido en H2

y relacin C/H2

baja. Es vlido cuando el ndice de

exceso de aire es bajo.