4. DEFINICIÓN DE GENERADOR DE VAPOR
Un combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se
oxida de forma violenta con desprendimiento de calor. Supone la
liberación de una energía de su forma potencial (energía de enlace) a una
forma utilizable sea directamente (energía térmica) o energía mecánica
(motores térmicos) dejando como residuo calor, dióxido de carbono y
algún otro compuesto químico.
En un combustible con 0% de humedad y sin hidrógeno en su
composición elemental, el poder calorífico superior coincide con el
inferior.
Los combustibles se pueden clasificar, por ejemplo, en sólidos, líquidos y
gaseosos.
5. COMBUSTIBLES SOLIDOS
Entre los combustibles sólidos se incluyen
el carbón, la madera y la turba natural. El
carbón se quema en calderas para calentar
agua que puede vaporizarse para mover
máquinas a vapor o directamente para
producir calor utilizable en usos térmicos
(calefacción). La turba y la madera se
utilizan principalmente para la calefacción
doméstica e industrial, aunque la turba se
ha utilizado para la generación de energía
y las locomotoras o los barcos que
utilizaban madera como combustible
fueron comunes en el pasado.
6. COMBUSTIBLES LÍQUIDOS
Los combustibles líquidos se
caracterizan por encontrarse en este
estado a temperatura ambiente y
presión atmosférica. El petróleo es el
más conocido, pero no se suele utilizar
en crudo, sino que se refina para
producir gasolina, diésel o queroseno,
entre otros. Además, el petróleo se usa
como materia prima en la industria
química para fabricar multitud de
productos de nuestra vida cotidiana.
7. GASES COMBUSTIBLES
Un gas combustible es un gas que se
utiliza como combustible para producir
energía térmica mediante un proceso de
combustión. El gas natural (cuyo mayor
componente es el metano) es el más
habitual, pero existen otros como:
• Gas licuado del petróleo (GLP), como
propano o butano. Se obtienen
mayoritariamente en la destilación
fraccionada del petróleo..
• Hidrógeno. Se obtiene a partir de la
electrólisis del agua invirtiendo energía
eléctrica, o a partir de gas natural.
8. HIDROCARBUROS
Los hidrocarburos son compuestos orgánicos conformados únicamente
por átomos de carbono e hidrógeno. Los hidrocarburos son ejemplos de
hidruros del grupo 14. Debido a que el carbono tiene 4 electrones en su
capa más externa (y debido a que cada enlace covalente requiere una
donación de 1 electrón, por átomo, para la formación del enlace) por lo
tanto el carbono tiene exactamente cuatro enlaces que hacer, y solo se
establece si se usan 4 de estos enlaces. Los hidrocarburos aromáticos
(arenos), alcanos, cicloalcanos y alquilo son compuestos basados en
diferentes tipos de hidrocarburos. Las cadenas de átomos de carbono
pueden ser lineales o ramificadas, y abiertas o cerradas. Los que tienen en
su molécula otros elementos químicos (heteroátomos) se llaman
hidrocarburos sustituidos.
11. COMBUSTIÓN COMPLETA
Cuando los hidrocarburos se queman por completo, reaccionan
completamente con oxígeno, produciendo el producto oxidado más alto
posible (dióxido de carbono). Dado que los hidrocarburos solo tienen
átomos de carbono e hidrógeno en su estructura, la combustión completa
de ambos "elementos" produce los óxidos en la etapa más alta posible, a
saber, dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O).
Esto se aplica a la combustión completa de todos los hidrocarburos, por lo
que la ecuación de reacción para una combustión completa se puede
establecer fácilmente:
Hidrocarburo + oxígeno => dióxido de carbono y agua
12. COMBUSTIÓN INCOMPLETA
La combustión incompleta siempre tiene lugar si no hay suficiente oxígeno
(en la relación estequiométrica) o si no hay una mezcla completa de la
mezcla de reacción (que consiste en hidrocarburos y oxígeno).
La combustión incompleta siempre se puede determinar si los productos
de reacción todavía contienen materiales de partida (hidrocarburos) o
productos oxidados de manera incompleta (por ejemplo, monóxido de
carbono).
Dado que la combustión incompleta no tiene suficiente oxígeno para
convertir los átomos de carbono e hidrógeno en el óxido con el estado de
oxidación más alto, la combustión incompleta produce monóxido de
carbono.
13. COMBUSTIÓN ESTEQUIOMÉTRICA
También llamada combustión exacta. Se produce con la combustión
completa pero realizada también con la cantidad exacta de oxígeno para
oxidar totalmente el combustible. Como la reacción consume
completamente el combustible y el oxígeno, los gases que se producen no
contienen ya estas sustancias.
En una reacción química se conoce como mezcla estequiométrica aquella
en la cual hay las proporciones necesarias de los elementos o moléculas
que van a mezclarse para que en la reacción participen todas y una vez
finalizada no queden moléculas de uno u otro compuesto reactivo que no
e haya mezclado y dado como resultado otro compuesto.
15. ENTALPÍA
Entalpía es el nombre dado a una función de estado de la termodinámica
donde la variación permite expresar la cantidad de calor puesto en juego
durante una transformación isobárica (es decir, a presión constante) en un
sistema termodinámico (teniendo en cuenta que todo objeto conocido
puede ser entendido como un sistema termodinámico), transformación en
el curso de la cual se puede recibir o aportar energía (por ejemplo la
utilizada para un trabajo mecánico).
Es en tal sentido que la entalpía es numéricamente igual al calor
intercambiado con el ambiente exterior al sistema en cuestión.
16. ENTALPÍA DE FORMACIÓN
Cuando se forman las moléculas a partir de los elementos, se requiere un
aporte o una liberación de la energía química para completar la reacción.
En cualquier caso, la energía de la molécula, y por consiguiente su
entalpía, difiere de la suma de las entalpias de los átomos constituyentes
de la molécula. La entalpía de la molécula resultante puede escribirse
como:
Donde ∆ℎ𝑓 es la entalpía requerida para formar la molécula a partir de los
átomos constituyentes, para un estado dado, o entalpía de formación.
17. ENTALPÍA DE COMBUSTIÓN
Considérese la combustión de un hidrocarburo general CnHm en aire. Si se
acepta que existe exactamente el oxígeno suficiente para reaccionar
químicamente con el combustible presente, es decir, que se tienen presentes
cantidades estequiométricas de combustible y de oxidante, la reacción de
combustión se escribe:
Donde Ai son los coeficientes estequiométricos para esta reacción. Realizando
un balance de los átomos en ambos lados de la ecuación se obtiene A2 = A5,
A1 = n + m/4, A3 = n y A4 = m/2. El coeficiente estequiométrico del
combustible se ha tomado como la unidad arbitrariamente.
En la combustión con aire, el nitrógeno y el oxígeno del aire están en la
relación volumétrica (y, por consiguiente, en la relación molar, si actúan como
gases ideales) A2/A1 = 79/21 = 3.76, tal como se encuentran en la atmósfera.
19. QUE ES PODER CALORÍFICO
El poder calorífico define la cantidad de energía por unidad de masa que
puede generar un combustible al producirse una reacción química de
oxidación. Cabe recordar que la mayor parte de los combustibles tienen en su
composición hidrógeno y carbono. Al arder, estos compuestos se fusionan con
el oxígeno, produciendo agua, dióxido de carbono y calor. Este calor se
transforma en energía.
El poder calorífico se mide siempre por unidad de masa de combustible
oxidada. Las unidades de medida varían en función del estado del combustible.
Las más habituales son kcal/kg (en combustible sólido); kcal/m³ (en
combustible gaseoso) o kcal/l (en combustible líquido). Para medir el poder
calorífico de un determinado combustible, se utilizan unos dispositivos
denominados bombas calorimétricas. Cuanto más elevado sea el poder
calorífico de un combustible, mayor será la cantidad de energía que será capaz
de producir.
20. CLASIFICACIÓN
El poder calorífico se denomina poder calorífico inferior (PCI) o LHV (lower
heating value) cuando el agua sale como vapor, y poder calorífico superior
(PCS) o HHV (higher heating value) cuando el agua en los gases de
combustión se condensa por completo, de manera que también se recupera el
calor de vaporización. La diferencia entre estos dos poderes caloríficos es igual
al producto de la cantidad de agua y la entalpía de vaporización del agua a
temperatura ambiente. Por ejemplo, los poderes caloríficos inferior y superior
de la gasolina son 44 000 kJ/kg y 47 300 kJ/kg, respectivamente.
Una definición de eficiencia debería dejar claro si se basa en el poder calorífico
inferior o superior del combustible. Las eficiencias de los motores de
automóviles y aviones a reacción normalmente se basan en poderes caloríficos
inferiores pues regularmente el agua sale en forma de vapor en los gases de
escape y resulta prácticamente imposible intentar recuperar el calor de
vaporización.
21. PODER CALORÍFICO DE LOS
PRINCIPALES COMBUSTIBLES
• Poder calorífico del gas propano: PCI Y PCS: El PCS del propano es de 12.052
kcal / kg, mientras que su PCI es de 11.082 kcal /kg.
• Poder calorífico del Gas Natural Licuado (GNL): PCI y PCS: El PCS del GNL es
de 11.700 kcal / kg, mientras que su PCI es de 10.565 kcal / kg.
• Leña: Su poder calorífico depende de la cantidad de humedad que
contenga. Puede estar comprendido entre los 12.000 y 21.000 KJ/Kg. Carbón
vegetal: Su poder calorífico oscila entre los 29.000 y 35.000 KJ/kg, estando
muy por encima de los niveles de la madera.
• Gas natural: Es uno de los combustibles más empleados del mercado, por su
excelente precio y por su gran poder calorífico que está comprendido entre
los 35.731 y los 40.000KJ/Kg.
• Gasóleo: Su poder calorífico es algo superior al del gas natural, pudiendo
alcanzar los 42.000KJ/l.
23. PRIMERA LEY DE SISTEMAS REACTIVOS
Los procesos de combustión en la práctica son muy complicados; por esta
razón las características de las reacciones químicas involucradas son solo
conocidas para casos de combustibles simples tales como: H2 y CH4. Para
combustibles con estructuras más complejas el camino real a través del
cual tienen lugar las transformaciones químicas no está completamente
determinado.
Sin embargo, para relacionar los estados inicial y final de las mezclas que
participan en el proceso de combustión se puede emplear la Primera Ley
de la Termodinámica en vista de que su aplicación no requiere que los
detalles de los procesos sean conocidos. La Primera Ley de la
Termodinámica relaciona los cambios de energía interna o entalpía con el
calor y el trabajo transferido.
24. Para un sistema con masa, m, como el mostrado en la Figura 4, donde se
considera que están ocurriendo cambios en la composición de los
reactantes a productos, la aplicación de la Primera Ley entre los estados
inicial y final queda indicada por la ecuación a continuación:
𝑄𝑅−𝑃 − 𝑊𝑅−𝑃 = 𝑈𝑃 − 𝑈𝑅
25. Por convención se considera que el calor transferido al sistema y el trabajo
realizado por el mismo son positivos. En forma general se pueden analizar
dos tipos de procesos de combustión: a volumen constante y a presión
constante. Para cada caso se conocen las condiciones de p y T al comienzo
del proceso y se desea calcular la energía liberada cuando la combustión
avanza y se reestablecen nuevos valores para p y T.
• Proceso de combustión a volumen constante:
𝑊𝑅−𝑃 = 0
𝑄𝑅−𝑃 = 𝑈𝑃 − 𝑈𝑅 = (∆𝑈)𝑉,𝑇
• Proceso de combustión a presión constante:
𝑊𝑅−𝑃 =
𝑅
𝑃
𝑝𝑑𝑉 = 𝑝(𝑉𝑃 − 𝑉𝑅)
𝑄𝑅−𝑃 − 𝑝(𝑉𝑃 − 𝑉𝑅) = 𝑈𝑃 − 𝑈𝑅
𝑄𝑅−𝑃 = 𝐻𝑃 − 𝐻𝑅 = (∆𝐻)𝑝,𝑇
27. SISTEMAS DE FLUJO
El balance de energía (o primera ley) desarrollado anteriormente en el
subtema 1.5 es aplicable por igual a sistemas reactivos y no reactivos.
Sin embargo, los sistemas químicamente reactivos implican cambios en su
energía química y, en consecuencia, resulta más conveniente reescribir las
relaciones de balance y energía en forma tal que los cambios en las
energías químicas se expresen de modo explícito, lo que se hace en esta
sección primero para sistemas de flujo estacionario, y luego para sistemas
cerrados.
28. SISTEMAS DE FLUJO ESTACIONARIO
Es necesario expresar la entalpía de un componente en una forma conveniente
para su uso en sistemas reactivos. Es decir, se necesita expresar la entalpía de
tal manera que sea relativa al estado de referencia estándar y que el término
de la energía química aparezca explícitamente. Cuando se expresa de manera
adecuada, el término de entalpía debe reducirse a la entalpía de formación ℎ°𝑓
en el estado de referencia estándar. Con esto en mente, se expresa la entalpía
de un componente por unidad de mol como:
Entalpía = h°f + (h - h°) (KJ/kmol)
donde el término entre paréntesis representa la entalpía sensible relativa al
estado de referencia estándar, que es la diferencia entre h (la entalpía sensible
en el estado especificado) y h° (la entalpía sensible en el estado de referencia
estándar de ° 25 °C y 1 atm).
29. SISTEMAS CERRADOS
La relación general de balance de energía para un sistema cerrado Eentrada -
Esalida = ΔEsistema se expresa para un sistema cerrado químicamente reactivo
en reposo como:
donde Uprod representa la energía interna de todos los productos, y Ureact es la
energía interna de los reactivos. Para evitar el uso de otra propiedad (la energía
interna de formación uf°) se utiliza la definición de entalpía a continuación:
Donde hemos tomado la transferencia de calor hacia el sistema y el trabajo
realizado por el sistema como cantidades positivas. Los términos Pv son
insignificantes para sólidos y líquidos y pueden sustituirse por RuT para gases
que se comportan como un gas ideal.
31. FLAMA ADIABÁTICA
En ausencia de cualquier interacción de trabajo y cambios cualesquiera en
las energías cinética y potencial, la energía química liberada durante un
proceso de combustión se pierde como calor hacia los alrededores o se
usa internamente para elevar la temperatura de los productos de
combustión. En el caso límite en que no haya pérdida de calor hacia los
alrededores (Q=0), la temperatura de los productos alcanzará un máximo,
conocido como temperatura de flama adiabática o de combustión
adiabática. La temperatura de flama adiabática de un proceso de
combustión de flujo estacionario se determina de la ecuación siguiente al
establecer Q=0 y W=0. Esto produce:
𝐻𝑝𝑟𝑜𝑑 = 𝐻𝑟𝑒𝑎𝑐
32. Una vez que se especifican los reactivos y sus estados, resulta fácil
determinar la entalpía de los reactivos Hreact. Sin embargo, debido a que la
temperatura de los productos no se conoce antes de los cálculos, el
cálculo de la entalpía de los productos Hprod no es directo. Por
consiguiente, la determinación de la temperatura de flama adiabática
requiere el uso de una técnica iterativa, a menos que se disponga de
ecuaciones para los cambios de entalpía sensible de los productos de
combustión.
Se supone una temperatura para los gases producto, y la Hprod se
determina para esta temperatura. Si ésta no es igual a Hreact, los cálculos se
repiten con otra temperatura. La temperatura de flama adiabática se
determina luego a partir de estos dos resultados mediante interpolación.
Cuando el oxidante es aire, los gases producto se componen
principalmente de N2 y una buena primera suposición para la temperatura
de flama adiabática se obtiene tratando todos los gases producto como
N2.
33. En las cámaras de combustión, la temperatura más alta a la que un material
puede exponerse está limitada por consideraciones metalúrgicas. Por
consiguiente, la temperatura de flama adiabática es una consideración
importante en el diseño de las cámaras de combustión, de las turbinas de gas
y de toberas. Sin embargo, las máximas temperaturas de estos dispositivos son
bastante menores que la temperatura de flama adiabática, puesto que la
combustión suele ser incompleta, se presentan algunas pérdidas de calor y
algunos gases de combustión se disocian a altas temperaturas. La temperatura
máxima en una cámara de combustión puede controlarse ajustando la
cantidad de exceso de aire, que sirve como refrigerante. Note que la
temperatura de flama adiabática de un combustible no es única. Su valor
depende de:
• el estado de los reactivos
• el grado al que se completa la reacción
• la cantidad de aire utilizado
Para un combustible especificado a un estado especificado que se quema con
aire a un estado especificado, la temperatura de flama adiabática alcanza su
valor máximo cuando sucede la combustión completa con la cantidad teórica
de aire.
35. SEGUNDA LEY DE SISTEMAS REACTIVOS
La primera ley nos ayuda a hacer el balance, por así decirlo, respecto al calor
liberado o absorbido, al trabajo efectuado o recibido, en un proceso o reacción
en particular, pero, no podemos emplear este argumento para saber si un
proceso sucede o no. La segunda Ley de la termodinámica nos explica por qué
los procesos químicos suceden de manera espontánea.
• Los procesos espontáneos y la Entropía
Si alguien proyectará una película revés nos daríamos cuenta inmediatamente,
pues sucederían situaciones que sabemos que NO se pueden dar, tales como:
• un clavadista que sale hacia arriba impulsado por el agua y cae de pie sobre
la tabla del trampolín;
• una cascada de agua que, en lugar de caer el agua al río, ésta sube a la
montaña.
36. ¿Por qué no suceden esos procesos en la realidad? la razón es la flecha del
tiempo avanza solo hacia el futuro estos procesos simplemente no
ocurren, son imposibles. Si analizamos el proceso de fusión del agua, que
es endotérmico a presión atmosférica
• Cuando T > 0°C, el hielo fundirá espontáneamente, pero a esa misma
temperatura y presión, la conversión de agua líquida en hielo será no
espontánea.
• Cuando T < 0°C se cumple lo contrario, el agua líquida se convierte en
hielo espontáneamente, y la conversión del hielo en agua no es
espontánea.
Cambio de Entropía en el sistema: Para calcular el cambio de entropía en
una reacción química (sistema), se debe considerar el cambio de entropía
de la posición final (productos) a la posición inicial (reactantes). Para una
hipotética reacción: a A + b B → c C + d. Podemos calcular la entropía
estándar de reacción de la siguiente forma:
39. DENSIDAD DEL AIRE
Cuando hablamos de densidad del aire, nos referimos a la cantidad de
moléculas de oxigeno que contiene un volumen de aire en un momento
dado, la densidad del aire puede verse afectada por la temperatura,
altitud, algunas condiciones atmosféricas como tormentas, etc.
Con una densidad del aire baja (poca concentración de oxigeno), un
motor funcionaria con una relación aire / combustible rica, ya que la
cantidad de aire suministrada a las cámaras de combustión seria
poca para el volumen de combustible entregado, al contrario,
ocurriría con una densidad de aire alta, la cantidad de ésta seria mucha
para la cantidad de combustible suministrado, mezcla aire/combustible
pobre.
40. TEMPERATURA AMBIENTE
La temperatura incide directamente en la densidad del aire, cuando ésta
aumenta, la densidad del aire disminuye, con bajas temperaturas la
densidad aumenta Humedad: Cuando la humedad del ambiente se
incrementa el octanaje requerido para el buen funcionamiento del motor
disminuye, por cada gramo de agua que se le agregue a un kilogramo de
aire seco, el octanaje requerido para el buen funcionamiento del motor
decrece de 0.25 a 0.35.
En la segunda guerra mundial era una práctica común inyectar agua a la
admisión de aire de los motores de aviación para disminuir la temperatura
de las cámaras de combustión, también se utiliza la inyección de agua en
motores provistos de turbos o sopladores, de esta manera se aumenta el
índice de octano y se evita el peligroso efecto conocido como detonación,
pisoneo o picado de biela.
41. ALTITUD (PRESIÓN ATMOSFÉRICA)
Por ejemplo al ir ascendiendo por una ruta de montaña, mientras más
aumentemos nuestra altura sobre el nivel del mar menor será la densidad
del aire. Los motores Diésel de aspiración natural (sin turbo) pierden un
10% de potencia por cada 1000 más. Que asciendan sobre el nivel del mar,
en el caso de los motores de gasolina el requerimiento de octano
necesario para el motor decrece de uno a dos octanos por cada 1000 más
de ascenso sobre el nivel del mar, esto último producto de la escasez
de aire y la disminución de la presión de combustión, y por ende la
disminución de la potencia efectiva del motor.
43. El análisis de los productos de la combustión provee la información
necesaria para saber lo que ocurre antes y después de la combustión.
También es posible saber la composición del combustible a través de un
análisis exhaustivo de los productos de la ignición.
La combustión es una reacción química del oxígeno con la sustancia que
ejerce de combustible a escala molecular. No obstante, las moléculas son
tan pequeñas que a simple vista observar el fenómeno a nivel individual es
imposible, por lo que no es práctico y lo que se suele hacer habitualmente
es realizar un análisis sobre todo el conjunto.
Los objetivos de este estudio básicamente son dos. Primero, tendríamos
que analizar e interpretar los productos de la combustión. Como segundo
objetivo deberías alcanzar la facultad de entender el manejo de un aparato
de análisis de productos de la combustión. Básicamente, estas dos son las
competencias que cualquier formación en análisis de los productos de la
combustión debería otorgarte al finalizarla.
44. Para poder abordar de forma racional el problema que conlleva la
combustión de elementos, se debe recurrir a un concepto llamado «Mol».
En el campo de la ingeniería este concepto se define como el número de
moléculas de una sustancia cuya masa es numéricamente igual a su masa
molecular. Se mide en kilogramo-mol y uno de hidrógeno (ponemos estos
ejemplos porque hablaremos ahora de este elemento) pesa 2’016 Kg,
mientras que uno de oxígeno pesa 32 Kg. El número de moléculas
contenidas dentro de un Kg-mol es de 6’02*10 elevado a 26.
Hemos dado estas medidas porque los dos factores principales que
intervienen en cualquier reacción de combustión son el carbono y el
hidrógeno. Estos se combinan con el oxígeno que se encuentra en el aire
para formar, como mínimo, dióxido de carbono (cuando el oxígeno
aportado es insuficiente, también se formará monóxido de carbono) y
vapor de agua. De esta forma, el oxígeno y el hidrógeno siempre están
presentes en todas las reacciones de combustión, usemos el combustible
que usemos.
45. Teniendo en cuenta que medio Kg-mol de oxígeno pesa unos 16 Kg, que
uno de hidrógeno pesa unos 2 Kg y que la reacción de la combustión del
hidrógeno es que por cada 2 moléculas de agua más una de oxígeno
(ambos son diatómicos, es decir, que tienen dos átomos en cada molécula)
se forma una molécula de agua, se puede decir que por cada 2 Kg de
hidrógeno y 16 Kg de oxígeno se podrán obtener 18 Kg de agua (en forma
de vapor porque estamos en una combustión).
El análisis de los productos de la combustión provee la información
necesaria para el estudio de los procesos que ésta involucra. Indica si eso n
o completa, el tipo de sustancias que quedan después de ésta, y la
cantidad de aire utilizada con relación al monto de combustible quemado.
También es posible la determinación de la composición del combustible a
partir del análisis de los productos de combustión. La combustión es, en
esencia, una reacción química del oxígeno y el combustible en escala
molecular. Así, la combustión está relacionada con las moléculas. Pero las
moléculas son tan pequeñas que resultan invisibles. Además, el número de
moléculas contenido en un pequeño volumen de sustancia es enorme. Por
lo tanto, no es práctico considerar la combustión sobre la base de
moléculas individuales.
47. NORMA OFICIAL MEXICANA (NOM)
Para proteger la salud humana, los gobiernos en muchos países del mundo
controlan los niveles de contaminantes atmosféricos utilizando diversas
herramientas normativas. Entre éstas se encuentran las normas de calidad del
aire, que establecen concentraciones aceptables para la población en términos
de los riesgos que los contaminantes representan para la salud humana.
Así, dichas normas definen las concentraciones aceptables durante diferentes
periodos de exposición, ya que en algunos casos se considera que una
concentración menor, pero durante un tiempo de exposición mayor, también
representa un riesgo para la población. En nuestro país, la Secretaría de Salud
es el órgano responsable de evaluar la evidencia de los impactos de la
contaminación atmosférica en la salud y establecer los límites permisibles de
concentración de los contaminantes en la atmósfera.
48. La siguiente tabla resume los indicadores con los que se evalúa el
cumplimiento de las NOM de salud con respecto a cada uno de los
contaminantes criterio: