CAPITULO 4
COMBUSTION
� Tipos de combustibles, poder calorífico
� Pretratamientos
� Recorrido de llama y gases de combustión
� Hogares
� Quemadores: tipos
� Tirajes: Natural Forzado Inducido
� Barrido, pre y pos barrido de hogar
� Controles y elementos de seguridad en el sistema de combustión
� Forma y color de la llama
� Colores del humo a la salida de chimenea
� Análisis y composición de gases
� Rendimiento térmico
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Al igual que el capítulo anterior, el tema "combustión", es también muy extenso por lo que solo nos referiremos a los conceptos y puntos mas importantes.
Comenzaremos con la definición:
del aire de cuya rápida reacción se libera una gran cantidad de calor.
Composición básica de los elementos que intervienen en la combustión.
Carbono (+) Metano (+) Oxígeno 21% Azufre (-) Gases hidrocarburos (-) Nitrógeno 79% Hidrógeno (+) Propano licuado (GLP) Este último no aporta Otros menores (-) Mezclas de hidrocarburos ningún papel activo en
saturados y no saturados la combustión
CalorCombustible Productos chimenea
+
Más adelante trataremos los distintos resultados de esta combustión
Gas natural, GLP, derivados de procesos gaseosos, gas pobre de gasómetros, etc.
Fuel Oil, mezclas Gasoil, derivados de procesos, etc.
Residuos de aserraderos, madera, semillas,cáscaras, carozos de frutos, carbón, bagazode caña, etc. Cabe destacar la importancia de realizar el análisis económico para aquellas industrias y zonas que puedan usar combustiblesalternativos que producen como rezagosindustriales.
Aire
+
Gaseosos
Líquidos
Sólidos
Nitrógeno
"Combustión" es la oxidación que tiene lugar entre un combustible y el oxigeno
Combustibles líquidos Gas Natural Aire
CO2
H2O (vapor agua)SO2
N2
Carbono+
Hidrógeno +
Azufre
Oxígeno
COMBUSTION
Tipos de Combustible
Consideraciones generales
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Poder Calorífico:
Medición del calor desprendidototal, incluyendo el calor de vaporización del agua formada.
Medición del calor desprendidodespreciando el calor de la vaporización del agua formada.
Fuel Oil
Mezcla 70 / 30
Diesel Oil
Gas natural
Gas propano GLP
Residuos celulósicosbase seca
PRETRATAMIENTOS DE COMBUSTIBLES
Filtrado, y en los casos de combustibles muy viscosos,precalentamiento. Aditivos especiales para mejorar lacalidad de combustión.
9.700 kcal./Kg
9.760 kcal./Kg
10.000 kcal./Kg
8.650 kcal./Nm³
medido en un ambiente de oxígeno expresado en kcal. /kg. o kcal./Nm³Podemos definirlo como el calor desprendido de una muestra de combustible
Líquidos
P.C.S.Poder calorífico superior
P.C.I.Poder calorífico inferior
Filtrado y control de presión de entrada a quemador.
3.500/4.400 kcal./kg
22.000 kcal./Nm³
Gaseosos
P.C.I. - Combustibles
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1) Quemador2) Hogar (radiante)3) Cenicero4) Cámara retorno5) 2° paso convectivo6) Chimenea
1) Quemador2) Hogar (radiante)3) Cámara de retorno - fondo húmedo4) 2° paso convectivo5) Caja humos retorno delantera6) 3° paso convectivo7) Chimenea
Detalle: Cámara retorno - fondo semihúmedo
1) Quemador2) Hogar con retorno (radiante) 3) Caja humos delantera4) Paso tubular (convectivo)5) Chimenea
Caldera 3 pasos
Caldera hogar con retorno
RECORRIDO DE LLAMA Y GASES DE COMBUSTIÓN
Modelos más comunes
Caldera 2 pasos tipo marino escocesa
1
3
24
5
6
7
321
5
Detalle
4
66
1 2
3
5
4
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Son utilizados para la combustión de sólidos y únicamente en calderas muyantiguas y las verticales de 1 paso.
Acuotubulares y los llamados antehogarestubulares para la combustión de sólidos.
Cilíndricos de chapa; calderas humotubularesde 2, 3, 4 pasos y hogar con retorno.
Totalmente cilíndricos con o sin refuerzosexternos.
Totalmente corrugados.
Sectores lisos y corrugados según diseño.
Detalle de hogar corrugado Vista desde su interior Al fondo puede apreciarse: Mufla refractaria Anillo de gas con picos distribuidores
Cámara de retorno Abocinado de Corrugas
trasera fondo húmedo Hogar
Hogar totalmente corrugado, parte externa vista desde el lado del agua.
Combinados
Corrugadoscilíndricos de chapa de acero
Internos
Tipos de Hogares
Externos
Lisos
Tipos de hogares
HOGARES
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De Fuel Oil y/o mezclacon precalentamiento Pico atomizador
Pulverización Copa rotativamecánica
Aire
Vapor
Quemador de Copa rotativa Lanzas Mecánicas y Premezcla Vapor y Aire
Pulverización
Tobera con ventilador incluido, con mezcla previa y tren de válvulas.
Gas NaturalCompuesto por registro, ventilador, caja de aire, anillo y tren de válvulas.
Quemador Compacto
Gas ó Gasoil
Registro de aire para
Combustión de Gas
y Petróleo
mecánicaPicos
atomizadores
Sin fluídos auxiliares
Con mezcla de fluídosalternativos auxiliares
De Diesel Oilsin precalentamiento
Compactos
Anillo de gascon toberas
QUEMADORES
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Es necesario eliminar los gases del combustible quemado en una caldera que se convirtieron en gases neutros y además agregar aire nuevo para que la combustión no se extinga.
Los gases calientes tienden a subir y empujan la circulación desde el hogar a los tubos y escape de chimenea, formando una corriente llamada tiro de la caldera .
Son aquellas calderas donde la circulación y la entrada de gases se realiza naturalmente (calderas verticales, 2 pasos, etc.)
El ventilador de tiro forzado, empuja o impulsa alos gases desde el quemador, produciendo una sobrepresión dentro de la caldera. (3 pasos, hogar con retorno, etc.)
El ventilador de tiro inducido, aspira desde la chimenea los gases de combustión creando una depresión interna en la caldera. (acuotubulares, combustibles sólidos, etc.)
En calderas muy grandes, combinando ambos tirajes balanceándolos y en calderas chicaspara combustión de sucedáneos.
Se produce constante y naturalmente aúnmientras el quemador no funciona.
Barrido de gases Al iniciar el ciclo de combustión y antes del
encendido es necesario realizar un barrido preventivo de gases durante un tiempo acorde al combustible y la capacidad que se quema.Los programadores de combustión lo realizan automáticamente.
tiro natural
En calderas de
En calderas de
Inducido
Balanceado
Tipos de tiro
Natural
Forzado
tiro forzado, inducido,
balanceado
TIRAJE
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Presostato de aire
Presostato de baja presión gas
Presostato de alta presión gas
Estanqueidad de cierre en válvulas de gas
Detección llama y autoverificación según capacidades
El programador de combustión realiza la secuencia de encendido de la caldera con un barrido previo, asegurando la evacuación de los gases que puedan haber permanecido dentro del circuito de combustión. Chequea además, durante este período, la presión de aire, la presión mínima y máxima de gas, y el flujo de aire mínimo necesario para lograr encender el piloto. Posteriormente energiza el transformador y la solenoide para el encendido del piloto.De encender sin inconvenientes detecta la llama y permanece encendido energizando las válvulas principales, hasta que se produce el corte por límite de presión, que apaga la combustión.En el caso de no detectar la llama piloto, puede reintentar una nueva secuencia de encendido, con su barrido de gases previo correspondiente, ó según el modelo y tamaño de caldera, pasar al estado de alarma por falta de llama que obliga al operador a efectuar un reenganche manual para reiniciar el ciclo.
Importante
Existen diversas marcas y modelos específicos
de acuerdo al combustible a usar y el tamaño del
generador.
Programador de Encendido
El foguista debe revisar y solucionar el motivo de falla antes de proceder al reenganche del control de combustión.
CONTROLES y ELEMENTOS DE SEGURIDAD EN EL SISTEMA DE COMBUSTION
Para combustión de gas natural controla:
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Como vimos al iniciar este párrafo, la combustión se produce al agregar aire a un combustible yencenderlo, pero para que esta reacción se combine correctamente, se debe tener en cuenta el tipo de combustible y el tipo de caldera, para lograr las proporciones adecuadas en cada caso.
Se producen cambios de color, al variarse el aire, que pueden apreciarse a simple vista.
Llama con tendencia a muy oscura.
Llama con tendencia amarilla.
Llama rojiza - amarillenta brillante.
Llama celeste con leves puntas rosadas.
Llama muy clara y brillante.
Llama muy azul y semi-transparente.
Las variaciones de color, pueden también producirse por otras razones, que resultan engañosas a la vista. (Por ejemplo el mezclado incorrecto del aire con el combustible). Por lo tanto la visualización sirve solo como indicativo y de evaluación rápida, pero nunca debe tomarse como parámetro de buen funcionamiento sin realizar un análisis de gases periódicos.
COLORES DE HUMO A LA SALIDA DE CHIMENEA
Humo apenas perceptible y muy transparente, puede haber presencia de hollín en los tubos.
Combustión
Prácticamente no hay diferencia visual.
Humo marrón oscuro a negro muy denso. Puede apreciarse también en el encendido dela caldera hasta la entrada en régimen.
Combustiónde Fuel Oil Humo color habano de notable transparencia.
Sin humo, se aprecia solamente la vena de aire caliente al igual que cuando se quema gas.
FORMA y COLOR DE LA LLAMA
de gas
Fuel Oil
Gas natural
Fuel Oil
Gas natural
Aire insuficiente
Aire correcto
Aire insuficiente
Aire correcto
Aire en excesoFuel Oil
Gas natural
Aire Insuficiente
Exceso de airey aire correcto
Exceso de aire
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ANALISIS y COMPOSICION DE GASES
En base a la relación aire-combustible que realicemos, obtendremos al analizar los gases de chimenea resultados que nos indicarán si la combustión es correcta o debe ser corregida.
Podemos agrupar la relación en partes aire-combustible de la siguiente forma:
Mezcla aire - gas Por cada 10 partes de aire - 1 parte de gasMezcla aire - petróleo Por cada 15 partes de aire - 1 parte de petróleo (atomizado)Mezclaaire - sólidos Por cada 30 partes de aire - 1 parte de sólidos (triturados)
Sistemas de análisis. Equipos
Ahorro de combustible
Preservación del medio ambiente PERIODICO DE
LA COMBUSTION
CONVENIENCIAS DEL CONTROL
Tabla de relación entre elporcentaje de CO 2 y elexceso de aire de losgases de combustión
ORSAT MEDIDOR CO2 ANALIZADOR TESTO
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RENDIMIENTO de COMBUSTIÓN
Se dice que una combustión es completa cuando todos los productos resultantes, están en el máximo grado de oxidación con una cantidad de aire
Pero la realidad es que si se agrega en la mezcla solamente esa cantidad de aire, la reacción resulta incompleta y no se obtiene la máxima energía disponible, obteniendo inquemados en los gases de escape. La razón puede resumirse en la rapidez con que se produce la oxidación de los productos antes dellegar a la zona más fría (chimenea)Se debe, por lo tanto, agregar un exceso de aire medido para aumentar la velocidad de reacción de lacombustión
y el exceso de aire " λ " es
" λ " = aire total Suponiendo como ejemplo que el resultado sea 1,2 aire teórico
Si lo queremos llevar a % tendríamos: ( λ - 1) . 100 = (1.2 - 1) . 100 = 20 % de exceso de aire
Volviendo al ejemplo de la introducción de la combustión estequiometrica, tenemos los resultados dela misma con menor y mayor cantidad de aire
Calor
CombustibleCO2
+ CO inquemadoH2O (vapor)O2
C - inquemadoSo2 + So3
CH - Hidrocarburo-inquemado
Calor
CombustibleCO2
+ H2O (Vapor)SO2
SO3 (pequeñas cantidades)N2
O2
O2 + N2
teórica C
Aire teórico + aire de exceso = aire total
Aire total Productos chimenea
AIRE TEORICO o ESTEQUIOMETRICO
O2 ++ H2
S
O2 +
N2 +
Airetotal Productos chimeneateórica C
N2 +S
Aire de
+ H2
incompleta
exceso
completaCombustión
Combustión
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Cada situación de fuego tiene un punto óptimo que corresponde a un determinado % de exceso de aire
Por lo tanto,
Reiteremos: El exceso de aire necesario, depende:
� Composición de combustible� Quemador empleado� Temperatura y viscosidades del combustible (F.O)� Dimensiones de la cámara de combustión (hogar)
Medición de gases y temperatura
En la medición de gases, según el equipo que se use, se obtienen valores de:
CO2 Dióxido de carbono Gas inerte, combustión completa.
Combustión incompleta: En Fuel Oil visiblemente detectable
CO Monóxido de carbono por presencia de humos negros y hollín.Es importante su medición, ya que si nos guiamos por el resultado del O2,puede regularse con falta de aire y estar emitiendo una cantidad alta de CO.ES UN GAS MUY TÓXICO Y CONTAMINANTE DE LA ATMOSFERA
N2 Nitrógeno Inerte. No interviene
SO2 Anhídrido sulfuroso Solo en combustibles líquidos (Fuel Oil)
O2 Oxígeno Oxígeno Libre
T Temperatura
Los valores máximos de CO2, según el tipo de combustible son:
F.O. / Diesel Oil 15, 8 %
CO2 máximo Gas natural 11, 9 %
G.L.P. 13, 77 %
Con la medición de estos valores se calcula el rendimiento de la combustión e indirectamente el rendimiento de la caldera.
Si aumentamos el % de exceso de aire, el rendimient o también cae, ya que parte del calor generado se gastó en calentar ese exceso de aire.
Gases decombustión
Si reducimos el % de exceso de aire, el rendimiento será menor por los inquemados.
CONCLUSIONES
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RENDIMIENTOS
Rendimiento combustión para gasCertificado emitido por analizador
TESTO 325-1
Rendimiento térmico de la caldera - Balance de calo r - Procedimiento
Se trata de un balance de masas
Se elige una temperatura de referencia o base ( 0º C cuando se utilizan entalpías)
Se considera el poder calorífico inferior (PCI) del combustible siempre que la temperatura de gases de salida sea menor a 100 ºC
Se evalúan todas las corrientes que aparecen en el siguiente esquema
9 Vapor o fluido de salida Calor útil
GasesCombustible Pérdidas calor sensibleCalor residual del combustible de los gases húmedos de combustión
2 5CombustiónCalor de combustión
1
AireCalor sensible del aire húmedo Inquemadosde combustión Pérdidas en Inquemados
3 6
Agua ó fluido de calefacción RadiaciónCalor en el fluido de alimentación Pérdidas por radiación
4 7
Purgas Pérdidas varias Convección, cenizas, residuos, etc...
8 10
CALORES ENTRANTES (Q e) . CALORES SALIENTES (Q s)
1 + 2 + 3 + 4 = 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10
Normalmente las pérdidas 10 se obtienen por diferencia para igualar la ecuación
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