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Capitulo 15
Procesos de combustion: caracteristicas
Procesos de combustidn
Tal vez el proceso tCrmico de mayor inter& prictico por su escala de utilizaci6n mundial, siendo a la vez muy ficil de realizar y muy dificil de estudiar, sea el proceso de reacci6n quimica exot6rmica automantenida por conducci6n de calor y difusi6n de especies, conocido como combusti6n.
Sus aplicaciones se pueden resumir en:
- calefaci6n de habiticulos (hogueras, estufas, calderas),
- producci6n de electricidad (centrales tCrmicas),
- propulsi6n (motores alternativos, turbinas de vapor, turbinas de gas),
- proceso de materiales (reduccibn de bxidos, fundicidn, cocci6n),
- eliminaci6n de residuos (incineraci6n de basura),
- producci6n de frio (frigorificos de absorcibn),
- control de incendios (barreras cortafuegos, materiales ignifugos),
- iluminaci6n (hasta finales del siglo XIX era el 6nico mCtodo de luz artificial).
El proceso de combusti6n es el mis importante en ingenieria porque todavia hoy, aunque tiende a disminuir (96% en 1975, 90% en 1985 y 4 0 % en 1995), la mayor parte de la producci6n mundial de energia se hace por combusti6n de petrbleo, carb6n y gas natural. Y no ~610es importante el estudio de la combusti611 controlada de 10s recursos primaries usados en la producci6n de trabajo y calor, sin0 que tambiCn es precis0 estudiar 10s procesos de combusti6n incontrolada (fuegos) para tratar de prevenirlos y luchar contra ellos. AdemBs, cada vez va siendo msis importante analizar la combusti611 controlada de materiales de desecho (incineracibn), con el fin de minirnizar la contaminacidn ambiental.
La combusti6n (quemar algo) es un proceso tan ficil de realizar porque genera mucha entropia y por tanto su viabilidad (tendencia a reaccionar) es muy alta; mucha energia ordenada en 10s enlaces quimicos pasa bruscamente a energia tCrmica (desordenada) de las particulas producidas. De hecho, el mundo que nos rodea esti integrado por mezclas reactivas (p.e. el mobiliario o la vestimenta y el oxigeno del aire ambiente) en equilibrio metastable, y a veces basta con forzar localmente la reacci6n (chispa) para que se autopropague, normalmente formando un frente luminoso (llama). Sin embargo, el proceso de combusti6n es dificil de analizar por 10s siguientes motivos:
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- es un proceso multidisciplinario (termoquimico-fluidodinhico) fuertemente acoplado,
- 10s pmesos de transporte de especies y calor (fen6menos de no equilibrio) son dominantes,
- la fuerte exotermicidad da lugar a altas temperaturas, enormes gradientes (llama), e importantes fuerzas de flotabilidad por dilataci6n diferencial,
- 10s enormes gradientes espaciales y 10s cortos tiempos de residencia en ellos provocan estados de no equilibrio local (quirniluminiscencia, ionizaci6n).
El c d c t e r multidisciplinario del proceso de combusti6n demanda un vasto soporte de ciencias biisicas:
- la Termodinbica, que ensefia si el proceso es viable y predice la composici6n final, la energia liberada y la temperatura alcanzada en el equilibrio;
- la CinCtica quimica, que trata de predecir el mecanismo detallado de la reacci6n, la velocidad de reaccibn, el por quC se producen radicales luminiscentes e ionizados, etc;
- la Transmisi6n de calor y de masa, que ensefia c6mo se difunden la energia tCrmica y las especies; y
- la Mechica de fluidos, que, con 10s datos de las anteriores, ensefia a establecer 10s balances de flujos apropiados para permitir, al menos te6ricamente, abordar la soluci6n del problema.
AdemSis, la simulaci6n numCrica en ordenador es muy dificil por 10s 6rdenes de magnitud tan dispares de las variables y las mdltiples escalas espacio-temporales que aparecen, y la experimentaci6n a alta temperatura en regiones submilim6tricas m6viles todavia es d s complicada.
Este amplio soporte necesario para el andisis cientifico de la combusti6n es la causa de que en muchos casos se renuncie a 61 y se limite el estudio a una descripci6n fenomenoldgica de las caracteristicas de la combusti611 (tipos de combustibles, preparaci6n de la mezcla, t i p s de llamas, tipos de quemadores, dispersi6n de contaminantes) y de algunos sistemas priicticos (charas de combusti611continua, ciimaras de combusti6n intermitente, etc). En este capitulo se da una descripci6n de toda esta fenomenologia, y en el capitulo siguiente se analizan algunos modelos te6ricos elementales que, pese a su simplicidad, enseiian a comprender y no s610 a conocer 10s complicados procesos reales de combustibn. Estos modelos tratan de ser el nexo entre las ciencias biisicas y 10s equipos priicticos de combusti6n.
Como es tan extenso y variado el campo de fen6menos y ciencias involucrados, y para no repetir su presentaci6n aqui, conviene repasar d6nde se puede encontrar esta informaci6n adicional en esta obra. En cuanto a la fenomenologia de 10s procesos de combusti6n, muchos de 10s conocimientos descriptivos con ella relacionados se ven en el Cap. 19 al hablar de la problemiitica de la utilizaci6n de la energia, caracteristicas de 10s recursos energeticos, conversi6n de la energia, energias no convencionales, conversidn directa de la energia; y algunos otros en el Cap. 17 al tratar de la produccidn de trabajo al eje o de cantidad de movirniento (propulsi6n) en las miiquinas termicas (pues no en van0 en ellas se quema miis de la mitad de todo el combustible utilizado en el mundo; el resto se quema en hogares para
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Existen otras sustancias (llamadas explosivos) que si son capaces de detonar, clasificiindose en explosivos primarios (fulminatos) si basta con una friccidn, chispa, llama o calentamiento para que aparezca la onda detonante, y explosivos secundarios (compuestos con nitrocelulosa, nitroglicerina, trinitrotoluene, nitrato ambnico, etc) si es necesario hacer pasar una onda de choque para que detonen; estos 6ltim0~suelen arder simplemente si no son excitados con onda de choque, y a1 calentarlos se descomponen en lugar de detonar (aunque bajo ciertas condiciones pueden detonar directamente).
Los combustibles comerciales se pueden clasificar en:
Naturales o primarios: -S6lidos: Carbdn, madera y otros tipos de biomasa, aunque pueden incluirse muchos metales (son demasiado caros y s610 se usan para destello tCrmico o luminoso). A veces se incluye entre 10s combustibles s6lidos en sentido amplio el uranio, aunque el proceso que con 61 se realiza no es de combusti6n sino de desintegracidn radiactiva. -Liquidos: Petr6leo y sus derivados (gasolina, gas6leo y fuel6leo).
-Gaseosos:Gas natural y gases licuados del petr6leo (GLP).
Artificiales o secundarios: -Sblidos: Coque (destilado de la hulla), carb6n vegetal (destilado de madera a unos
250 OC; madera + calor + carb6n vegetal + licores pirolefiosos+gas+alquitr8n),
aglomerado de hulla (ladrillos de aglomerado de menudos de hulla con brea), biomasa residual (basura y desagiies humanos, estiCrcol, paja, panochas, etc). -Liquidos: Alcoholes (destilados de la biomasa), aceites de nafta y benzol (destilados del peu6leo). -Gaseosos:Destilados de la madera (gas pobre, compuesto de CO y H2 y obtenido quemando madera a 900 OC con 113 del aire te6rico), destilados de la hulla (gas de aire, conteniendo principalmente CO, y gas de agua o gas ciudad antigiio, contieniendo principalmente H2 y CO), destilados de las naftas del petr6leo (gas ciudad modernol, conteniendo principalmente H2 y CH4). En el futuro se podria genera hidr6geno por descomposici6n timica del vapor de agua a T>2500 K, aunque no vale la energia solar (400 K) ni siquiera la de fisi6n nuclear (1500 K). Los aparatos para producir gas combustible artificial se llaman gas6genos.
Las propiedades miis relevantes de 10s combustibles son: la composici6n (y contenido de impurezas), la entalpia estindar de reacci6n (tambiCn llamada poder calorifico, en valor absoluto); la densidad, viscosidad y coeficiente de dilataci6n (para el almacenamiento y transporte); la entalpia de vaporizaci6n (conviene que sea baja); la presi6n de vapor (conviene que sea alta para que no haya que gasificar artificialmente); 10s limites de ignici6n (por chispa), autoinflamaci6n y extincidn, la toxicidad y la compatibilidad con otros materiales (tubos, juntas, viilvulas, bombas, etc).
En 10s carbones es importante la granulometria y el contenido en humedad y cenizas. El fuel6leo hay que precalentarlo para que fluya bien y se atomice mejor. En ambos casos, el
1. La sustituci6n del gas ciudad de hulla por gas ciudad de nafta en Madrid tuvo lugar en 1962.
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contenido de azufre puede hacer inservible el combustible, por 10s problemas de contarninaci6n. El manejo de 10s GLP requiere dep6sitos a presi6n y es caro, y al ser su densidad mayor que la del aire requieren ventilaci6n de seguridad, aunque su uso es muy limpio y no contamina. El gas natural no es c6modo de almacenar (dep6sitos criog6nicos) y hay que canalizarlo (gran coste de infraestructura).
La entalpia esthdar de combusti6n se mide en un calorfmetro: para sdlidos se usa la bomba de Malher (donde se quema 1 gramo de combustible en oxigeno puro a 2 MPa) y para liquidos y gases se usa el calorimetro de Junker (ver Calorimetrfa en Cap. 21). Suele hablarse de poder calorifico superior e inferior (PCS y PCI), refIriCndose a si se contabiliza o no la
entalpia estindar de vaporizaci6n del agua producida, siempre s e d PCS = PCI +
2442mH2dmcdkJlkg = PC1 + 41,4nH2dnCmbWmol, siendo m ~ ~ d m ~ ~ m by n ~ ~ d n ~ ~ m bla
masa y cantidad de sustancia de agua producida por unidad de masa o de cantidad de sustancia de combustible (ver Cap. 9).
El comburente (u oxidante) principal es el oxigeno del aire, aunque en algunas aplicaciones especiales se usa aire enriquecido en oxigeno e incluso oxigeno puro. El aire puede suponerse que tiene una composici6n molar de 0,2102+0,79N2, es decir, 3,76 moles de N;? por cada mol de 02, o bien 3,3 kilos de N2 por cada kilo de 0 2.
Las mezclas combustible/comburente pueden prepararse previamente (gases premezclados) o ir generhdose a medida que avanza la combusti6n (gases difundiendose o liquidos y s6lidos evaporhdose). Desde la m8s remota antigiiedad, la combusti6n ha sido de esta segunda forma (de difusibn), y s610 recientemente (Bunsen, 1855) se viene utilizando la de premezcla. Se llama dosado a las proporciones en que se prepara o realiza la mezcla.
Como sistema reactante tipico se suele considerar el CH4/aire por su importancia pr8ctica (gas natural), aunque existen otros sistemas conceptualmente m8s simples: la descomposici6n del 03, la del N202, el sistema CO/02, el Hz/C12, el H2/02, la descomposici6n de la hidracina (N2H4), etc. La descomposici6n explosiva del acetileno (C2H2=2C+H2)es complicada de analizar, por la aparici6n de particulas s6lidas.
La reacci6n de combusti611puede ponerse de una forma general, que sirve a la vez de balance misico y energktico, como:
donde [C,,HvOwNxS,] se refiere a un mol de materia combustible (un compuesto o una mezcla de compuestos), aunque si no se sabe la estructura molecular se refiere todo a un kilo de combustible, y para gases se usan valores molares o volum6tricos indistintamente. Las constantes a, b, ..., m, dependen de las condiciones iniciales y finales, y como la relaci6n (15.1) es indiferente frente a una constante multiplicativa, suele tomarse a = 1 (por mol de
combustible), o bien e +f + g + h + i + j + k + 1 = 1 (por mol de productos gaseosos). Aunque
en 10s combustibles liquidos y gaseosos la humedad y cenizas son despreciables, el carMn normal suele tener 4 % en peso de humedad y hasta un 10% de cenizas.
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Para calderas y hornos es mis corriente hablar en tCrminos del exceso de aire, e, que varia de 0,l a 0,4 segdn 10s casos. A1 aumentar e se consigue disminuir la contaminaci6n, per0 el rendimiento tambiCn baja (Fig. 15.1) porque aumenta el caudal de humos y disminuye la temperatura mhxima.
Fig. 15.1. Variacidn del rendimiento energktico y de la contaminaci6n global en funcidn del exceso de aire e en calderas y homos.
En las instalaciones muy grandes (>I00 MW) se instalan sofisticados sistemas de regulaci6n y control para conseguir trabajar con excesos de aire de 0,02 a 0,05 sin sobrepasar el umbra de contaminaci6n permitido (si el control no es fino, las fluctuaciones de riqueza en ese entorno produciria una gran contaminaci6n).
En algunas aplicaciones no tirmicas de la combusti6n, como cuando se quiere generar gas de agua (CO+H2) a partir de carbdn, o acetileno a partir de gas natural, la riqueza puede ser de 3 6 4.
Caracteristicas de la combustidn
Se consideran aqui las caracteristicas de la reacci6n de combusti6n, dejando aparte 10s procesos que conducen a las condiciones iniciales (dosado) y 10s que tiene lugar con 10s productos de la combustibn. La caracteristica miis sobresaliente de la reacci6n de combusti6n es la aparici6n de una llama visible, y posteriormente se describirin las caracteristicas propias de las llamas.
La aparici6n de una llama es tan representativa que, aun a pesar de reconocer la existencia de llamas invisibles, de llamas fn'as, de llamas mortecinas (la de un cigarrillo, la de las ascuas), etc., se puede restringir el estudio de la combusti6n a 10s procesos con llama, dejando 10s otros procesos de oxidaci6n exotkrmica antes mencionados para un analisis mis general de procesos reactivos. Un ejemplo cercano y muy instructive de estos procesos de oxidaci6n exotirmica (combusti6n sin llama) lo constituyen las estufas cataliticasz, donde un flujo de butano (la combusti6n catalitica de otros hidrocarburos no estti tan desarrollada) es dirigido a una matriz porosa (p.e. de aldmina) donde se encuentra el catalizador (p.e. platino) a la que tambiin llega aire ambiente; si el catalizador esta frio no hay reaccibn, per0 basta con que se caliente la matriz hasta unos 500 K (aunque la temperatura de funcionamiento normal es de unos 750 K) para que la mayor parte del butano reaccione con el oxigeno en la superficie del
2. La pequefia llama piloto en estas eslufas es para el encendido y por razones de seguridad.
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catalizador y genere calor suficiente para mantener la matriz caliente frente a las perdidas de calor a1 ambiente (que dicho sea de paso, es el objetivo de la estufa). Como no se alcanzan altas temperaturas, no se ve la emisi6n de radiaci6n (lo cual es un inconveniente psicol6gico de este tip0 de estufas), y parte del butano no llega a reaccionar, detectindose tipicamente una concentraci6n del 5% en 10s gases de salida, que puede llegar a1 10% a1 cabo de unos aAos de funcionamiento (10s catalizadores envejecen).
Las variables que influyen en el proceso de combusti6n son:
- la composici6n (relacidn combustible / comburente y relaci6n gas inerte / comburente),
- la temperatura,
- la presidn,
- el campo de velocidades,
- la presencia de catalizadores (sustancias que aunque no parecen reaccionar, porque no se consumen, controlan el progreso de la reaccidn).
De hecho, relativo a este tiltimo punto, la simple presencia de un s6lido en las proximidades de una llama altera fuertemente el equilibrio tCrmico y de especies activas, estabilizando la posici6n de la llama o llegando a apagarla.
No es coniente que a1 poner simplemente en contact0 el combustible y el oxidante se produzca la reacci6n (con dimetil-hidracina y tetr6xido de dinitr6geno si hay combusti6n esponttinea). Por ejemplo, la experiencia enseiia que una mezcla C w a i r e en condiciones norrnales (Tamb= 288 K y pamb'1O5 Pa) esti en equilibrio (metastable), es decir, su T, p y pi son uniformes y no se observa evolucionar ni aun en presencia de las pequeiias perturbaciones incontroladas (pequeiios golpes y otras ondas actisticas, iluminacih, etc). Sin embargo, si la perturbaci6n aumenta (basta una chispa de 1 mJ) puede desencadenarse la reaccidn, inflamindose la mezcla y evolucionando hasta otro estado de equilibrio de mayor entropia del universo, mucho m8s estable que el inicial (se necesitan'an perturbaciones gigantescas para hacerle saltar a otro estado de todavia mayor entropia, p.e. una reacci6n nuclear).
Una de las perturbaciones que hace inflamarse la mezcla es la elevaci6n de temperatura. Si se calienta uniformemente una mezcla CH4/aire bajo ciertas condiciones de composici6n, presi6n y tamaiio (>2,5 mm), a1 llegar a unos 850 K (825 K para CH4/02), se inflama de repente toda la mezcla (no se observa un frente de llama, y se denomina autoinflamaci6n o autoignici6n) tras un breve retraso o tienlpo de retardo proporcional a exp(T,lT)/pl/2, siendo T, una temperatura caracteristica (=lo4 K), y se consume en un tiempo todavia menor. Esta Tauroirgfl varia poco con la composici6n y la presibn, except0 cerca de 10s limites de ignici6n normal (p.e., T=850 K para Cwaire>O,OS, pero T=950 K para Cwaire=O,O3 y T=1300 K para CH4/aire=0,005).
Otra perturbaci6n que hace arder la mezcla es la deposici6n local de suficiente energia (p.e.
chispa). Si la concentraci6n de metano en la mezcla metanolaire esti en el rango [0,05...0,
(o en el rango [0,05...0,601 para mezclas metano/oxigeno), y se provoca localmente una
reacci6n (se llama ignici6n), Csta es capaz de mantenerse, propagindose como un frente
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combustible condensado, en presencia de una atmdsfera infinita de aire en calma (aunque habri convecci6n natural por flotabilidad), para que 10s vapores generados lleguen a dar una mezcla inflamable por ignicidn (es decir, una riqueza del orden de la mitad de la estequiomCtrica). Se le llama temperatura de i~nicidno de punto de destello (flash-point), aunque la nomenclatura no es universal (ni es esencial, puesto que a1 decir de quC sustancia se esti hablando ya se ve si se trata de una mezcla previa o no).
Aunque en la autoinflamacidn es dificil precisar si se genera movimiento macrosc6pico o no, la ignici6n local se ve claramente que da lugar a un movimiento macroscdpico del fluido (aparte del movimiento de la llama) por dilatacidn tCrmica, aunque el estado inicial sea de reposo. Las enormes dilataciones a que dan lugar 10s grandes saltos de temperatura hacen que el movimiento estC muy influido por 10s efectos de flotabilidad.
La combusti6n de una mezcla puede ser casi-instantrinea (sin propagacidn de llama, como en la autoinflamacidn), o con propagacidn de llama, cuya velocidad puede ser subs6nica (deflagacidn) o supersdnica (detonacidn), como ya se vio en el Cap. 5, dependiendo de las condiciones iniciales y de contorno. La Tabla 15.1 da una idea de las diferencias cualitativas entre ambos fendmenos.
Tabla 15.1. Comparaci6n de las caracteristicas de las llamas normales (de deflagraci6n) con las ondas de detonaci6n ('u' es la velocidad del fluido normal a la onda y 'a' la del sonido; ula es el nlimero de Mach).
Variables Deflagraci6n Detonacidn ullal 0,0001 a 0,03 5 a 1 0 u2Iu1 4 a 6^ 0,4 a 0, P ~ / P I 0,98^ 13 a 55 T2/T1 4 a 16^ 8 a 2 0 P2JP1 0,06 a 0,25 1,7 a 2,
La extinci6n de un proceso de cornbustidn puede producirse por cambio de composici6n (que algdn reactivo se agote, que se inunde con materia inerte, que se aiiadan inhibidores), por disminucidn de temperatura (no coincide con el limite de autoinflamacidn, sino que hay histkresis), por variaciones de presidn (bajindola mucho se retrasan 10s choques moleculares y aumentindola mucho se promocionan otros choques disipativos), o por disminucidn de tamaiio del sistema (por debajo de unos milimetros no puede avanzar la reaccidn, y se utilizan orificios pequeiios o mallas metilicas como barreras antillama).
La cornbustidn, incluso cuando el combustible esti en forma condensada, suele tener lugar en fase gaseosa debido a las altas temperaturas (que vaporizan el combustible condensado). Sin embargo, hay algunas excepciones, como la combustidn de metales (Mg y Al) y la del propio carMn, donde parte del proceso tiene lugar directamente en 10s itomos superficiales de la red del sdlido (combustidn heterogenea), ya que en realidad, la cornbustidn del carbdn es un proceso mixto, pues no se trata de carbono puro sin0 que el carbdn tiene muchos componentes volitiles (=50%), y ademis, y sobre todo a temperaturas bajas, la combusti6n heterogknea del carbono da CO que a su vez sufre una combusti6n homogCnea en fase gaseosa.
Cap. 15: PROCESOS DE COMBUSTION: CARACTERISTICAS 365
En la combusti6n de s6lidos y liquidos, a1 soplar un poco se aviva el proceso por aporte de oxigeno, per0 a1 soplar mucho se puede apagar por exceso de enfriamiento o barrido de especies activas. TambiCn es importante la formaci6n de la capa de dxido en la combusti de metales; el Fe no puede arder en aire (except0 si esti pulverizado, como en las chispas de fragua) y si que arde en oxigeno puro (como se hace en las acerias), ya que en el primer caso la temperatura de combusti6n adiabiitica es menor que la de fusi6n del6xido. El intercambio radiativo es muy importante en la combusti6n de s6lidos debido a su alta emisividad; prueba de ello es lo dificil que resulta encender una madera sola (conviene rodearla de otras superficies s6lidas que re-radien calor, eso sf, dejando resquicios suficientes para una ventilaci6n adecuada). Puede pensarse que todo el mundo sabe c6mo hacer fuego, c6mo mantenerlo y c6mo apagarlo, per0 si se trata de hacer fuego sin el auxilio de una cerilla o un mechero, enseguida se da uno cuenta de que eso sigue siendo un arte de exploradores.
En general, 10s pardmetros que interesa controlar en un proceso de combusti6n son:
- Eficiencia: que se queme completamente y se libere toda la exergia.
- Intensidad: que la potencia liberada por unidad de volumen del reactor sea grande.
- Estabilidad: que no se apague con las fluctuaciones normales en T, p, Xi y otros 'ruidos'.
- Contaminaci6n: que no produzca inquemados (CO, hollin, aldehidos), ni 6xidos de alta temperatura (NO,), ni 6xidos de impurezas (SO2).
Caracteristicas de las llamas
La llama es el frente de reaccibn, una estrecha zona (de espesor c 1 mm) en donde tiene lugar la descomposici6n y recombinaci6n molecular, presentando las concentraciones y la temperatura gradientes enormes (p.e. de 300 K a 3000 K, y de 0 a 1 las fracciones molares). Las llamas se pueden clasificar por el tipo de mezcla de 10s reactivos, por el tipo de flujo, por su posici6n relativa a las paredes (anclada, libre), por el tipo de combustible, por la granulometn'a del combustible condensado, etc. A continuaci6n se presenta un esquema de clasificaci6n.
Llamas
1
Puntual Ignici6n HomogCnea estacionaria Tamaiio minimo Limites de concentraci6n 1 Estacionaria(Velocidad de){M&il }{Laminar }{Subs6nica } propagacidn Anclada Turbulenta Supers6nica HomogCnea: flujo forzado de gases HeterogCnea - homogCnea: flujo natural por vaporizaci6n HeterogCnea: reacci6n en la superficie de un s6lido
Los reactantes pueden llegar, o bien previamente mezclados por un mismo lado de la llama (llama de premezcla) y 10s productos salir por el otro lado, o bien separados cada uno por un
Cap. 15: PROCESOS DE COMBUSTION: CARACTERISTICAS (^) 367
un estrecho margen de caudales estables (entre el limite de reentrada y el de despegue de la llama), y que una mezcla muy rica, la cual dan'a lugar a una llama de difusibn, puede quedar estabilizada anclada a1 borde del mechero o despegada a una cierta distancia del mechero (aunque estas llamas levitantes son mris inestables), dependiendo del caudal, presendndose una cierta histiresis en la transici6n.
velocidad de salida [ m / s l
10 15 % butano en la mezcla Fig. 15.3. Regiones de eslabilidad de la llama de premezcla butanolaire en un mechero bunsen en atmdsfera de aire (para mezclas ricas la llama s e d de difusidn).
Caracteristicas de 10s gases de escape
Los gases de escape (detrris de la llama o a la salida de la crimara) en la combusti6n de hidrocarburos con suficiente aire est6n compuestos de 10s productos de la combusti (principalmente C02 y H20), del oxigeno sobrante y de 10s gases inertes. Si s6lo se contemplan concentraciones >I%, para T<2200 K basta considerar esos productos; para 352200 K se necesita afiadir a esos productos CO, H2 y OH; para T>2400 K se necesita aiiadir ademris H y 0 ; para n 3 0 0 0 K se necesita aiiadir ademris NO, y para T>3500 K tambiin N. Si existen paredes pr6ximas a la zona de combusti6n (p.e. en 10s motores alternativos), a1 no poder propagarse la llama hasta la pared, en 10s gases de escape aparecerrin productos inquemados (en general, parcialmente pirolizados).
A1 enfriarse 10s gases de escape, el vapor de agua puede condensar y acelerar 10s procesos de corrosi6n, particularmente si el combustible contiene algo de azufre, pues se formaria icido sulfiirico. Por ejemplo, sea la combusti6n completa de metano con 150% de aire te6rico que entra a 298 K, 100 kPa y 50% de humedad relativa. El balance molar global sen'a:
ya que la estequiometn'a es CH4 + 202 = C02 + 2H20 y el 50% de humedad del aire
ambiente equivale a 0,005 kgagua/kgaireseco y por tanto xHzo=0,008 y ~ ~ ~ ~ / ~ ~ ~ = 0 , 0 0a la entrada. A la salida se ve que la fracci6n molar de agua es 2,001/(1+2,001+1+11,28)=0,13, que corresponde a 0,094 kgaguJkgproductosy por tanto a una temperatura de rocio de 51 "C (a
100 kPa).
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El andisis de 10s gases de escape ilustra mucho sobre la combusti6n. Normalmente el andisis se hace en base seca, es decir, una vez eliminado el vapor de agua, como en el aparato de Orsat, donde una muestra de gases de escape (a presi6n y temperatura ambiente) de la que se ha extrafdo el agua, se pasa por absorbedores de C02, O2 y CO (se supone que el resto es N2), mididndose en cada paso la variaci6n de volumen. Suponiendo que la humedad atrnosfdrica no influya apreciablemente (como se ha visto d s arriba), el balance at6mico permite conocer la riqueza usada y el contenido de vapor de agua en 10s productos; p.e., si se sabe que arde propano en aire dando unos productos de composici6n 11,5% de C02, 2,7% de 0 2 y 0,7% de CO (de N2 seria 100-11,5-2,7-0,7=85,1),el balance molar sed:
y el balance de tres de las entidades C, H, 0 y N permite determinar a, b y c (la cuarta ecuaci6n indicaria la precisi6n de la medida, que es redundante, pues hubiera bastado con medir el C02 y el CO). La riqueza que se deduciria en este ejemplo es de 0,9. N6tese que la ecuaci6n extra no puede servir para calcular la humedad del aire usado en la combusti6n (se necesitan'a saber la humedad a la salida). El balance de C02 ensefia que la riqueza es aproximadamente igual a la relaci6n entre la proporcidn de C02 real (en 10s productos secos) y la que habria estequiomdtricamente, si la combusti6n fuese completa.
Los contarninantes principales de 10s gases de escape son: CO, otros gases parcialmente oxidados, NOx (NO y NO2) y hollin, a 10s que hay que aiiadir SO2, y cenizas, segdn el combustible, y algiin otro si se han usado aditivos (p.e. PbO si se aiiadi6 Pb(C2H5)4a la gasolina para aumentar el octanaje). A1 aumentar la riqueza de la mezcla aumenta la emisi6n de inquemados (CO y hollin), y al aumentar la temperatura aumenta la producci6n de NO,. Hay que tener presente que en la combusti6n industrial y en 10s fuegos incontrolados la composici6n de 10s gases de escape puede ser variadisima, con muchos compuestos t6xicos, y ademas hay que considerar que no todos 10s productos de la combusti6n son gaseosos (cenizas, escorias).
Realizacidn de la combustidn
Hay dos modos muy diferentes de realizar una combusti6n controlada:
- Quemando en regimen discontinue una pequeiia cantidad (motores alternativos y pulsorreactores). Si es en grandes cantidades se considera combusti6n incontrolada y se llama fuego.
- Quemando en dgimen estacionario en una llama anclada (velas, candiles, mecheros, c h a r a s de combusti611 continua, en lechos fluidizados, etc., hasta las hogueras pueden considerarse de este tipo).
Es en la realizaci6n de este segundo tipo de combusti6n controlada en la que se centra este apartado, aunque se va a empezar mencionando algunas caracteristicas del primero.
En 10s motores alternativos hay dos modos principales de realizar la combusti6n. En 10s de tip0 Otto, se mezcla el combustible con el aire antes de entrar a1 cilindro (carburador de
(^370) I. Martinez: TERMODINAMICA BASlCA Y APLICADA
t u b , pero cerca del borde aparecen 10s efectos de pCrdida de calor y de especies activas en la pared, que hacen que en realidad el perfil de velocidades de quemado sea como el representado por la curva Vq(r) de la Fig. 15.4a. Por otra parte, seg6n se aumente el gasto mdsico, el perfil de velocidades de salida irri siendo vl, v2, v3, etc. Si fuera vl y se lograse encender la mezcla, la llama viajaria corriente arriba y si fuera v3 la llama viajaria corriente abajo; s610 si fuera v2 o pr6ximo (la curva Vq(r) se modificaria un poco en 10s bordes a cambiar las condiciones de contorno) existiria un punto como el A en que se igualan'an la velocidad axial del fluido y la de la onda de deflagracibn, permaneciendo la llama estacionaria respecto a1 rnechero y estabilizada (las pequefias fluctuaciones de posici6n se contrarrestan con la velocidad residual de la onda). A partir de este punto de anclaje se desanollard una llama inclinada para compensar el exceso de velocidad axial de la corriente.
Fig. 15.4. Estabilizacidn de la llama en el borde de un mechero: a) caso de premezcla, b) caso de difusidn, c) detalle de la llama de difusidn cerca del borde.
En el caso de una llama de difusibn, Fig. 15.4b, la velocidad normal de quemado Vq (funcib de la riqueza @ de la mezcla), s610 existirri en las cercanias de la superficie de mezcla estequiomCtrica, siendo una funci6n muy picuda cerca de la boca del mechero y mis suave lejos, aunque con valores maximos parecidos (disminuird algo porque la temperatura sera algo menor).
Cap. 15: PROCESOS DE COMBUSTION: CARACTERISTICAS 371
A1 comparar esa velocidad de la llama (si se encendiese) con el perfil de velocidades del chorro, que va abriCndose y decreciendo, es fricil comprender que existirri un punto en el plano meridian0 (una circunferencia) en el que se iguale la velocidad axial de la corriente con la de la onda, quedando alli estabilizada la llama por la misma razdn que en las llamas de premezcla, ya que en realidad en esta zona inicial de la llama de difusi6n la combusti6n es de premezcla, con una llama triple, esquematizada en la Fig. 15.4c, que consta de una pequeiia llama de premezcla rica 1, la llama de difusi6n 2, y una pequeiia llama de premezcla pobre 3 (estas llamas de premezcla son pequeiias porque acaban extinguiCndose por escasez del reactivo deficitario).
A la llama de premezcla queda anclada la llama de difusidn, estabilizada por el flujo de calor hacia el borde del mechero, y fuera de esa regi6n ya no tiene sentido hablar de Vq porque no existe una onda de deflagraci6n. Estos y otros detalles de la estructura interna de la llama de difusi6n fueron analizados por Liiirin4 en 10s aiios 60.
En 10s quemadores industriales (hornos, calderas y turbinas de gas) la velocidad de inyeccidn es muy grande (para generar gran potencia tirrnica) y es precis0 estabilizar la llama artificialmente mediante obstriculos que obliguen a una recirculaci6n del fluido.
La estabilidad de las llamas desprendidas levitantes es precaria (se basa en 10s gradientes propios del chorro en expansibn), mientras que la de las llamas ancladas en la estela de s6lidos (borde del mechero bunsen, varillas, etc.) es mucho mris efectiva.
La estabilizaci6n tCrmica estri basada en la variaci6n de la velocidad de la llama con la temperatura, y se consigue por extraccidn de calor con rejillas metrilicas. TambiCn puede estabilizarse la llama haciendo variar espacialmente su velocidad (p.e. rodeando lateralmente con oxigeno una llama de combustible y aire, o rodeando una llama de premezcla con otra de difusi6n como en el bunsen).
Atendiendo a1 proceso de mezcla, 10s quemadores pueden ser de mezcla previa o de mezcla a la salida, aunque en realidad suele haber algo de mezcla antes y despuCs; la Fig. 15.5 muestra esquemas de algunos tipos de mecheros. El encendido o ignici6n se puede conseguir con una superficie caliente (a una temperatura bastante superior a la de inflamacibn), con una llama piloto (ademris de calor, aporta radicales libres), o una chispa, que genera radicales libres mecrinicamente (pedernal) o elictricamente (bujia, piezoelictrico, etc).
En el bunsen de la Fig. 15.5a (mechero tipico de laboratorio) se ha representado una llama de mezcla previa rica; en este caso no se quema todo el combustible en la llama de premezcla (cono azul turquesa), apareciendo otra llama posterior de difusi6n (penacho violeta). Si se cierran 10s orificios de aspiraci6n de aire, se obtendrri exclusivamente una llama de difusibn, que sera en este caso amarilla por la formaci6n de hollin.
Para combustibles condensados se suelen usar quemadores del tip0 de la Fig. 15.5c, procurando una buena atomizaci6n (pulverizado) para conseguir una combusti6n rApida y evitar la formaci6n de hollin.
- Vtase Williams, F., "Combustion in laminar flows", Ann. Review Fluid Mech. 3, pp 171-188, 1971.
Cap. 15: PROCESOS DE COMBUSTION: CARACTERISTICAS 373
que viene limitada superiormente para evitar el desprendimiento de llama a gasto mdximo, e inferiormente para evitar la combusti611 incompleta. No conviene que Sean de aireaci6n completa porque la llama de premezcla que se formaria tendria un margen muy estrecho de estabilidad (Fig. 15.3), ni que no haya aireaci6n porque entonces la llama de difusi6n seria muy larga y con mucho hollin.
El conduct0 de salida se divide en muchos agujeros de salida, por una parte para que la llama sea miis corta (la longitud de cualquier tip0 de llama es priicticamente proporcional a diiimetro del agujero de salida), y por otra para aumentar el iirea de contact0 con el aire ambiente, mejorando asi la aireaci6n secundaria (la que completa la combusti6n); por eso se ponen en la periferia del mechero y no en medio. Sin embargo, el diiimetro de estos orificios tiene un limite inferior debido a la tendencia a1 desprendimiento de la llama por decaer la capacidad de anclaje (de no ser por esto, convendria que 10s agujeros de salida fuesen de tamaiio menor a1 del limite de propagaci6n de llama por congelaci6n (quenching) para asegurarse contra la reentrada de la llama por el tub0 (hasta el inyector, ya que de ahi no pasm'a).
Un buen quemador debe quemar bien dentro del amplio margen de caudales de utilizacibn, que puede llegar a ser de 10 a 1, y dentro del rango de temperaturas de funcionamiento, que va desde 10s 0 OC del encendido en u n dia frio a 10s 400 OC que adquiere la mezcla a la salida de un quemador fuertemente calentado por la llama y 10s objetos pr6ximos (cacerolas o cambiadores de calor). TambiCn hay que contar con las fluctuaciones de la presi6n de alimentacibn, que pueden ser de +20% a1 no estar regulada la presi6n de suministro domistico, asi como las posibles corrientes de aire (normalmente se diseiia hasta para 2 m/s de viento cruzado). Otros factores de incertidumbre son las variaciones de composici6n del combustible suministrado (seria prohibitivo garantizar una composici6n fija), las variaciones en la concentraci6n de oxigeno del aire (primario y/o secundario) por el enviciamiento debido a una ventilaci6n escasa, la variaci6n de la geometrfa de salida por ensuciamiento de polvo y hollin, tolerancias de fabricacibn, etc. Y quemar bien significa conseguir que no se emitan productos inquemados, que no retroceda ni se despegue la llama, y que el rendimiento sea mriximo.
Dispositivos de seguridad
Se comprende que un aspect0 primordial en todo proceso de combusti6n es la seguridad, pues la combusti6n incontrolada viene produciendo desde la m6s remota antigiiedad innumerables pQdidas materiales y humanas, debido a la combusti6n directa de 10s cuerpos, a 10s efectos de 10s gases tdxicos generados, a las ondas explosivas en recintos cerrados, a socarramiento por las altas temperaturas y la transmisi6n de calor, etc.
Dentro de 10s dispositivos de seguridad contra incendios en las instalaciones de combusti estrin las barreras contra propagaci6n (desde la malla antirretorno de llama que Davy- desarroll6 para la lrimpara de minero, hasta las barreras cortafuegos y envolturas ignifugas), 10s detectores de mezclas combustibles (vulgarmente llamados explosimetros), 10s detectores de llama y 10s extintores.
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Los detectores de llama pueden estar basados en la apreciaci6n visual (o deteccidn automzitica por mCtodos visibles), en mCtodos tCrmicos (son 10s mzis usados, y entre ellos cabe distinguir 10s de contacto con 10s gases calientes y 10s detectores de radiaci6n tCrmica), en mktodos elCctricos (la conductividad de 10s gases en las proximidades de una llama es muy grande porque en la combusti611 se generan iones), en mCtodos quimicos, etc. Dentro de 10s mCtodos tCrrnicos de contacto, se pueden usar disyuntores bimetfilicos (basados en la dilataci6n diferencial), disyuntores termoelCctricos (basados en la fuerza electromotriz generada por diferencia de temperaturas), o disyuntores de bulbo liquid0 (basados en la variaci6n de la presi6n de vapor con la temperatura, que se transmite por un capilar hasta el actuador). Las caracteristicas de fiabilidad, sensibilidad, tiempo de respuesta, volumen, precio, etc., varian mucho de unos a otros. El m8s usado en aplicaciones domCsticas es el detector termoelCctrico.
De mod0 anrilogo, 10s dispositivos de lucha contra incendios (una vez que se han producido) pueden estar basados en alguno (o varios) de 10s mCtodos siguientes: impedir el acceso de m8s combustible, impedir el acceso del aire (oxidante), aiiadir gas inerte diluyente y enfriador que impida la progresiva ignici6n de la mezcla fresca, disminuir la temperatura (aiiadiendo agua y otros productos inertes), disminuir la presi6n (s6lo es practicable en vehiculos aerospaciales), disminuir la concentracidn de especies activas (afiadiendo retardadores o inhibidores), etc.
Sustituci6n de combustibles
Normalmente, a1 cambiar de combustible es necesario modificar 10s mecheros, como se va a detallar para el caso de la sustituci6n de gas ciudad por gas natural en 10s quemadores domCsticos (Fig. 15.5b).
En efecto, el aire te6rico necesario para la combusti6n completa del gas ciudad (supuesto p.e. HZa 1 50%, CH4 a1 20%, CO a1 20% y N2 a1 10%) y del gas natural (supuesto metano puro), es de 5 y 10 m3,kJm3g,, respectivamente. Para conseguir un buen rendimiento, 10s mecheros han de operar en las proximidades del punto estequiomCtrico (algo mzis rico en realidad), donde se consigue mrixima temperatura y un gran margen de estabilidad (lo cual es necesario si se tiene en cuenta las previsibles fluctuaciones antes mencionadas). Pero en un mechero de aire inducido como el de la Fig. 15.5b, la relaci6n aire/combustible viene fijada por la cantidad de movimiento del chorro de gas, ya que entre las secciones de control 1 y 2, suponiendo que la presi6n de entrada y salida es la atmosfCrica y despreciando la fricci6n en la pared, se verificarzi (conservaci6n de la cantidad de movimiento):
donde el subindice m se refiere a la mezcla de la secci6n 2 y las variables sin subindice se refieren a1 gas que sale del inyector en la secci6n 1, siendo p, d y v las respectivas densidades, dizimetros y velocidades en dichas secciones. La relacidn aire/combustible conseguida serzi:
