REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAUNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

“RAFAEL MARÍA BARALT”VICERRECTORADO ACADÉMICO

PROGRAMA: INGENIERÍA Y TECNOLOGÍAPROYECTO: INGENIERÍA DE GAS

COMBUSTION: DEFINICIONES ELEMENTALES

Realizado por:

Juan R. Ereu A.

CI: 12.843.064

Profesor:

Ing. Héctor Medina

Ciudad Ojeda, Marzo de 2015

Definición de combustible

Un combustible es cualquier tipo de material o producto que tienen la

capacidad de liberar energía cuando experimenta un proceso químico de

oxidación, desprendiendo violentamente calor. Por lo tanto, un combustible

es un medio por el cual se obtiene energía que se puede utilizar mecánica o

térmicamente. La mayoría de las veces los combustibles presentan dióxido

de carbono y algún otro compuesto químico.

Tipos de combustibles

Existen distintos tipos de combustibles, los cuales se definen a partir

de su procedencia o características químicas internas.

Combustibles sólidos: Como su nombre lo indica, este tipo de combustibles

tienen una textura sólida o dura, por llamarla de alguna manera.

Combustibles de este tipo, de los más conocidos, son la madera, el carbón y

la turba natural.

Combustibles fluidos: Este tipo de combustibles son líquidos o gaseosos y,

debido a su estado, se almacenan en algún recipiente o lugar para que no se

escape. Evidentemente, los mejores ejemplos de este tipo la gasolina, el

queroseno, el gasóleo, el propano y el butano. Generalmente, los

combustibles fluidos, especialmente líquidos, se utilizan en motores de

combustión interna ya que producen pequeñas explosiones que pueden ser

peligrosas.

Combustibles orgánicos: En el caso de los seres vivos, existen algunos

elementos que pueden considerarse como combustibles gracias a que

proporcionan energía para el movimiento de los músculos. En este caso

podemos hablar de los carbohidratos, los lípidos y las proteínas.

Combustible de fisión o nucleares: Aunque no se consideran

precisamente como combustible, algunos elementos son utilizados para

fomentar una reacción nuclear. Es el caso del hidrógeno y del helio. No

obstante, estos elementos químicos producen algo muy parecido a una

combustión.

Volatilidad de un combustible

La volatilidad puede definirse como el porcentaje de un gas a una

temperatura determinada, con una presión de 1 atm (unidad de presión).

Cuanto menor sea la presión interna y mayor la temperatura externa, más

volátil será el combustible. Lo ideal para obtenerse un combustible de calidad

es que la volatilidad no sea muy elevada y ni muy baja. Estando en esas

condiciones óptimas el motor tendrá un buen desempeño.

Las condiciones que presentan los combustibles con una muy alta volatilidad

son las siguientes:

Formación de vapor las burbujas en el circuito de alimentación,

principalmente durante el verano.

Pérdidas en el depósito del carburador por el tubo de equilibrio.

Formación de hielo en el carburador durante el invierno, impidiendo el

funcionamiento del motor.

En el caso de los combustibles que presentan una baja volatilidad, el

mismo presenta las siguientes condiciones:

Disminución de la aceleración.

Mayor tiempo para que el motor alcance la temperatura ideal de

funcionamiento.

Dilución del aceite lubricante, porque los combustibles menos volátiles no

son capaces de ser quemados en la combustión.

Mayor formación de carbón en las cámaras de combustión y en la zona

superior del pistón, dificultad en el arranque de un motor.

Alimentación no uniforme en los cilindros.

Octanos (Octanaje del combustible)

Cuando se quema la gasolina en el interior del cilindro del motor, la

explosión debe ser tal que empuje al pistón de forma suave y continua. Si la

combustión es demasiado rápida se produce una detonación, que hace que

el pistón reciba un golpe brusco y se reduzca la eficiencia del motor. El índice

de octano de una gasolina es una medida de su capacidad antidetonante.

Las gasolinas que tienen un alto índice de octano producen una

combustión más suave y efectiva. El índice de octano de una gasolina se

obtiene por comparación del poder detonante de la misma con el de una

mezcla de los hidrocarburos isooctano y heptano. Al isooctano (con 8

carbonos) se le asigna un poder antidetonante de 100 y al heptano (con 7

carbonos) de 0. Una gasolina de 97 octanos se comporta como una mezcla

que contiene el 97% de isooctano y el 3% de heptano.

Tetraetil de Plomo en gasolinas

El Plomo era uno de los aditivos capaces de aumentar el octanaje.

Había otros como el etanol pero el plomo era más barato. Emitía unos pocos

gramos de plomo tóxico a la atmósfera con cada depósito. Al quemarse el

tetraetilo se liberaba el plomo y producía acumulación de este metal dentro

del motor. Para evitarlo se añadía otro aditivo de bromo o cloro que lo

eliminaba hacia la atmósfera.

Esta acumulación también tenía un efecto positivo. El plomo

acumulado en los asientos de válvula amortiguaba el golpeteo de las

válvulas. Por este motivo no se recomendaba usar exclusivamente sin plomo

95 o 98 en un motor no pensado para usar el nuevo combustible. El posible

daño no era inmediato sino que debía aparecer al cabo de varios miles de

km.

Para evitar el problema y emitir menos plomo, se podía intercalar un

depósito con gasolina con plomo entre cada 4 o 5 de sin plomo. Siempre que

el octanaje del combustible sin plomo no sea insuficiente para el buen

funcionamiento del motor. A partir de 1993 todos los vehículos nuevos

funcionaban obligatoriamente con gasolina sin plomo. Ese año todos los

vehículos de gasolina incorporaban el catalizador y el plomo lo contaminaba

en 1 o 2 depósitos de gasolina con plomo.

Finalmente en 2002 la gasolina Súper con plomo se deja de vender en

España y se sustituye durante un tiempo con otra de características similares

pero sin plomo, con 97 octanos como su predecesora. En Europa, el

pentacarbonilo de hierro fue utilizado en lugar de tetraetilo de plomo. Dos

aditivos más modernos usados en combustibles alternativos son el ferroceno

y tricarbonilo metilciclopentadienil manganeso.

Gasolina sin plomo en Venezuela

En la gasolina sin plomo introducida al mercado venezolano a finales

de 1999, uno de los sustitutos del plomo en la gasolina es el MTBE (metil-ter-

butil-eter), introducido hace 20 años en Estados Unidos. Venezuela ha

optado por su uso. Otros oxigenantes normalmente utilizados son el etanól y

otros éteres y alcoholes, como etil-ter-butil-eter (ETBE), ter-amil-metil-eter

(TAME), o el ter-butil-alcohol (TBA).

El metil-ter-butil-eter, o MTBE (C5H12O), es un producto químico que

se utiliza para aumentar el octanaje, mejorar la combustión, y reducir las

emisiones de monóxido de carbono en aproximadamente un 10%. El MTBE

también contribuye a reducir las emisiones de compuestos orgánicos

reactivos, y la proporción de contaminantes aromáticos, sulfuro, olefina y

benceno, en la fabricación de gasolina.

En la actualidad, el MTBE representa entre 5% y 10% del volumen de

la gasolina. Es un éter, con la propiedad de disolverse en el agua con gran

facilidad. Es un producto residual, con escasa potencialidad para su

degradación natural. Fue introducido por primera vez en la gasolina premium

en los Estados Unidos y Europa hace más de 20 años.

El MTBE es altamente volátil y soluble en agua. Al evaporarse la

gasolina, en las estaciones de servicio o en los puntos de almacenamiento,

arrastra al MTBE a la atmósfera. Allí se disuelve en el agua de lluvia, para

luego contaminar los acuíferos. También puede contaminar acuíferos por

fugas o derrames en los sistemas de almacenamiento y transporte.

Punto de inflamación

Se denomina punto de ignición o punto de inflamación de una materia

combustible al conjunto de condiciones físicas (presión, temperatura)

necesarias para que la sustancia empiece a arder y se mantenga la llama sin

necesidad de añadir calor exterior. Cuando una sustancia combustible se

calienta mediante una fuente de calor externa, comienza a oxidarse; la

reacción de oxidación es exotérmica, luego añade calor al de la fuente

externa; conforme aumenta la temperatura se oxida más rápidamente, hasta

que en cierto punto, el calor desprendido por la oxidación es suficiente para

mantener la ignición sin ayuda de la fuente exterior.

Las condiciones alcanzadas en ese momento, determinan el punto de

ignición o punto de inflamación. Cuando la sustancia se oxida

espontáneamente sin necesidad de una fuente exterior de calor (lo que para

ciertas sustancias puede ocurrir en ciertas condiciones), y alcanza la

temperatura de ignición, empezará a arder. Este fenómeno se llama

autoignición. Los parámetros que determinan el punto son la temperatura, la

presión, la composición de la atmósfera en que se produce la ignición y a

veces la presencia de otra sustancia que actúe como catalizador.

Gravedad o densidad API

Aunque en los aceites, la gravedad específica no es tan importante

como la viscosidad, ésta (la gravedad) da una mejor indicación del valor

calórico del combustible, los combustibles "pesados" contienen más

unidades de calor por galón que los combustibles "livianos".

Para mayor conveniencia, el API (American Petroleum Institute) ha

establecido una escala de gravedad que es comúnmente usada en los

EEUU. Con esta tabla (ver al final), UD puede convertir las incómodas

fracciones decimales de la gravedad específica a valores API, que son

escritos como números enteros. Números API altos indican gravedades

específicas bajas y viceversa.

En la escala API, la gravedad específica del agua es 10. La mayoría

de los combustibles líquidos, que son más ligeros que el agua, tienen valores

de 10 a 49. El rango de los combustibles diesel va de 20 a 45. Los grados

API, de la tabla muestran una carta de conversión que incluye la gravedad

API, gravedad específica, libras por galón, BTU (British thermal units) por

libra, y BTU por galón para los combustibles.

La gravedad específica de un combustible es la relación de su peso al

peso de un volumen igual de agua cuando los dos son probados a la misma

temperatura. La gravedad específica de la mayoría de los combustibles

diesel esta en el rango de 0.802 y 0.934. La gravedad de un aceite puede ser

medida con un hidrómetro.

Un hidrómetro es calibrado sea en gravedad específica o en grados

API. Cuando el hidrómetro es colocado en el líquido, este se sumerge a una

cierta profundidad dependiendo de la gravedad del líquido. La lectura de la

escala que coincide con la superficie del líquido, indica la gravedad. Si la

escala sobre el hidrómetro que UD usa esta calibrada en gravedad

específica, y UD quiere encontrar la gravedad API, puede usar sea la tabla

(al final) o la formula siguiente:

Gravedad API (grados) = 141.5 / gravedad específica - 131.5

Si el hidrómetro que UD esta usando esta calibrado en gravedad API, UD

puede encontrar la gravedad específica usando la tabla (al final) o la formula

siguiente:

Gravedad específica = 141.5 / gravedad API + 131.5

Potencia calorífica

Se ha dicho en la lección anterior que la corriente eléctrica puede

producir calor o trabajo. Si queremos desplazar una determinada carga

eléctrica Q desde un potencial a otro, cuya diferencia sea de V voltios, el

trabajo que desarrollaremos será tanto mayor cuanta más carga Q queramos

desplazar y también tanto mayor cuanta más diferencia de potencial haya

entre los puntos que queramos desplazar dicha carga Q.

Por lo que dicho trabajo será igual al producto de la carga Q por la

diferencia de potencial V entre los dos puntos:

W = V x Q (donde Q = I x t ) W = V x I x t

Como hemos dicho que Potencia es igual al trabajo dividido por el

tiempo: P = W / t se tendrá que que:

P = V x I x t / t P = V x I

Se sabe por la Ley de Ohm que V = R x I =>luego P = R x I x I = R x I 2

o también I = V / R => luego también se puede poner que P = V x V / R  =

V2 / R . Así pues se tiene tres formas de calcular la potencia eléctrica: 

P = V x I

P =  R x I2

P = V2 / R

Evidentemente, el trabajo: W 

W = V x I x t

W =  R x I2 x t

W = (V2 / R)  x t

Cuando el trabajo eléctrico se manifiesta en forma de calor, suele

expresarse en CALORIAS. El número de calorías es fácil de calcular

sabiendo que:

1 julio = 0,24 calorías (llamado equivalente calorífico del trabajo) o bien:

1 caloría = 4,18 julios (llamado equivalente mecánico del calor)

Combustión

La combustión (del latín combustĭo, -ōnis)1 es una reacción química

de oxidación, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de

puntos en forma de calor y luz, manifestándose visualmente gracias al fuego,

u otros. En toda combustión existe un elemento que arde (combustible) y otro

que produce la combustión (comburente), generalmente el oxígeno en forma

de O2 gaseoso. Los explosivos tienen oxígeno ligado químicamente, por lo

que no necesitan el oxígeno del aire para realizar la combustión.

Los tipos más frecuentes de combustible son las materias orgánicas

que contienen carbono e hidrógeno. En una reacción completa todos los

elementos que forman el combustible se oxidan completamente. Los

productos que se forman son el dióxido de carbono (CO2) y el agua, el

dióxido de azufre (SO2) (si el combustible contiene azufre) y pueden aparecer

óxidos de nitrógeno (NOx), dependiendo de la temperatura, la cantidad de

oxígeno en la reacción y, sobre todo de la presión.

En la combustión incompleta los productos que se queman pueden no

reaccionar con el mayor estado de oxidación, debido a que el comburente y

el combustible no están en la proporción adecuada, dando como resultado

compuestos como el monóxido de carbono (CO). Además, puede generarse

carbón.

El proceso de destruir materiales por combustión se conoce como

incineración. Para iniciar la combustión de cualquier combustible, es

necesario alcanzar una temperatura mínima, llamada temperatura de

ignición, que se define como la temperatura, en °C y a 1 atm (1013 hPa) de

presión, a la que los vapores de un combustible arden espontáneamente. La

temperatura de inflamación, en °C y a 1 atm, es aquella a la que, una vez

encendidos los vapores del combustible, éstos continúan por sí mismos el

proceso de combustión.

C(n)H(2n+2) + (1.5n+0.5)O2 → (n)CO2 + (n+1)H2O

Combustión Perfecta Estequiométrica

Este tipo de combustión se consigue mezclando y quemando las

cantidades exactamente requeridas de combustible y oxígeno, los cuales se

queman en forma completa y perfecta. Esta combustión completa está sin

embargo, fuertemente limitada por condiciones químicas y físicas, ya que

sólo en teoría podemos hablar de reacciones perfectamente

estequiométricas. Se plantean para realizar los cálculos teóricos de la

combustión, etc. en función de la composición del combustible y el

comburente empleados.

Figura 1. Combustión perfecta Estequiométrica. Fuente: Castillo (2010)

Combustión completa con exceso de aire

Para tener una combustión completa, es decir, sin presencia de

monóxido de carbono en los humos de chimenea, es necesario emplear una

proporción de oxígeno superior a la teórica. Este exceso de aire conlleva

especialmente 2 efectos importantes en cuanto al proceso de la combustión:

Disminución de la temperatura máxima posible al aumentar la cantidad de

gases en la combustión. Variación sensible en cuanto a la concentración de

los óxidos formados respecto al nitrógeno, lo que se traduce en una

disminución de la eficiencia de la combustión.

El exceso de aire se expresa en porcentaje restándole el teórico

estequiométrico, el cual corresponde al 100%; es decir, una cantidad de aire

de combustión del 120% respecto al estequiométrico, se expresará como

20% de exceso de aire. El índice de exceso de aire (n), también empleado en

la práctica, será en este caso: n = 1.2.

Figura 2. Combustión completa con exceso de aire. Fuente: Castillo

(2010)

Combustión incompleta con defecto de aire

Cuando el oxígeno presente en la combustión no alcanza el valor del

teórico necesario para la formación de CO2, H2O y SO2 la combustión es

necesariamente incompleta, apareciendo en los gases de combustión el

monóxido de carbono, hidrógeno y partículas sólidas de carbono, azufre o

sulfuros.

Considerando que estos componentes de los gases que se eliminan a la

atmósfera contienen aún apreciable contenido calorífico, las pérdidas por

combustión incompleta son elevadas cuando se proporciona menos aire del

necesario. En la práctica, la presencia de inquemados resulta determinante

del exceso de aire necesario. La presencia de CO en los humos crea

además el riesgo de explosión, al llegar a atmósferas súbitamente oxidantes.

Un 1% de CO en los gases produce una pérdida de aproximadamente un 4%

del poder calorífico del combustible.

Figura 3. Combustión incompleta con exceso de aire. Fuente: Castillo

(2010)

Combustión imperfecta

Se produce una combustión imperfecta o seudocombustión oxidante

cuando pese a existir exceso de aire, no se completan las reacciones de

combustión, apareciendo en los humos de chimenea productos de

combustión incompleta, tales como inquemados, residuos de combustibles

sin oxidar, partículas sólidas, etc.

Este tipo de combustión puede producirse debido a las siguientes

causas: La elevada carga térmica del hogar, es decir, la relación entre la

potencia calorífica y el volumen del hogar, ya que existe poco tiempo de

permanencia. La escasa turbulencia, existiendo por tanto una mala mezcla

aire-combustible, lo que en muchos quemadores se produce por cantidad

insuficiente de aire o por estar trabajando a una fracción muy pequeña de su

potencia nominal.

Figura 4. Combustión imperfecta. Fuente: Castillo (2010)

La falta de uniformidad de pulverización en los combustibles líquidos,

ya que cuanto mayor sea el número de gotas de gran tamaño, tanto más fácil

es que se produzcan inquemados, puesto que una gota de gran diámetro

necesita un tiempo mayor de permanencia para quemarse por completo. El

enfriamiento de la llama, lo que puede ocurrir cuando la mezcla

airecombustible incide sobre superficies relativamente frías, como el frente

de la cámara de combustión o las paredes de un tubo de llama y también

cuando se trabaja con un gran exceso de aire.

El alto porcentaje de carbono en los combustibles. En la práctica, este

es el tipo de combustión más generalizado por resultar más ajustado a la

realidad. En la medida que se mejore la combustión imperfecta

aproximándose a las condiciones teóricas de combustión completa con

mínimo exceso de aire, se logrará mejores rendimientos y se evitará efectos

contaminantes.

Relación aire/combustible

Es el número que expresa la cantidad, en masa o en volumen, de aire

aspirado por un motor de combustión para una cantidad unitaria de

combustible. Dicha relación es función del combustible, del tipo de motor, de

su regulación y de la carburación.

El valor ideal o teórico de tal relación es el correspondiente a la

relación estequiométrica o proporción exacta entre las masas de las

substancias que forman parte de la reacción para conseguir una completa

combinación quimica. Cuando se trate de gasolinas comerciales, dicha

relación está comprendida entre 14,7 y 15,1 (es decir, unos 15 kg de aire por

cada kilogramo de gasolina). Sin embargo, dicha condición se cumple sólo

en el caso de reacción en condiciones teóricas o ideales, sin tener en cuenta

la mayor o menor rapidez con que se desarrolla efectivamente la combustión.

En los motores térmicos y, sobre todo, en los alternativos de tipo

volumétrico, la reacción se desarrolla en condiciones muy especiales y

variables y, en el caso de encendido por chispa, las modalidades de inicio de

la reacción (generalmente una chispa eléctrica prácticamente puntiforme)

determinan que adquieran gran importancia otros aspectos de la combustión,

como la velocidad de la propagación de la llama y la inflamabilidad de la

mezcla.

Es lógico que con una relación aire/combustible más baja que la

estequiométrica (inferior a 14,7 para la gasolina) no todo el combustible

podrá quemarse y una parte quedará sin quemar o parcialmente quemada,

con formación de CO y HC. Hay que recordar que la combustión nunca es

completa, independientemente de la relación aire/combustible, puesto que la

reacción nunca se desarrolla en condiciones ideales.

En cuanto a la contaminación, es fundamental emplear mezclas con

relaciones superiores o iguales a la estequiométrica. Sin embargo, estas

condiciones pueden obtenerse solamente en los motores de combustión

continua, quemadores de calderas de vapor o de turbinas de gas, en las

cuales el exceso de aire es utilizado para rebajar la temperatura, mientras

que en un motor alternativo se producirían irregularidades de funcionamiento.

Por regla general, en un motor automovilístico de encendido por

chispa, las variaciones de la relación aire/combustible se producen sólo entre

las mezclas ricas. Como dato indicativo, puede asegurarse que a la máxima

producción de potencia se obtienen valores de 12-14, que pueden aumentar

en determinadas condiciones de funcionamiento en regulación (a velocidad

constante y con la mariposa entreabierta).

También se obtienen crestas con valores bastante bajos (es decir, con

elevada riqueza relativa) durante las aceleraciones rápidas, en función del

tarado de la bomba de aceleración y de las deceleraciones bruscas, o sea

con la mariposa cerrada a un régimen elevado. Los valores de la relación

estequiométrica aire/combustible (A/CeB) dependen de la composición

química del carburante y, esencialmente, de la proporción de las cantidades,

en peso, de carbono e hidrógeno contenidas en cada molécula según la

fórmula que se indica a continuación:

AF=Masa de Aire(enmoles)

Masa deCombustible(enmoles)

donde c/h representa la relación entre las masas de carbono e hidrógeno

contenidas en una molécula de combustible. Esta equivalencia es valedera

sólo para los combustibles binarios, que en la fórmula contienen únicamente

carbono e hidrógeno, mientras que las substancias que contienen también

oxígeno, como ocurre en el alcohol, necesitan una cantidad de aire

proporcionalmente inferior.

Relación combustible-aire teórica.- Se refiere a la proporción de

combustible y aire químicamente perfecta que permite un proceso de

combustión completa. De esta manera la cantidad de oxígeno suministrada

al proceso de combustión es suficiente para que la cantidad de carbono e

hidrógeno contenidos en el combustible sean oxidados completamente, o

sea transformados en CO2 y H2O. Dos casos particulares se tienen cuando

se trabaja con mezclas combustible aire: mezclas con exceso de aire

(mezclas pobres) y con exceso de combustible (mezclas ricas).

Relación combustible-aire equivalente.- También llamada estequiométrica

o riqueza de la mezcla, se utiliza como parámetro de comparación de la

riqueza o pobreza de la mezcla en los procesos de combustión debido a que

es independiente de la composición de los productos, se define como:

∅= F /A

( FA ) t=mc /ma

(mcma ) t=

(Ma )tMa

= 11−e

Tabla 1

Relación Aire Combustible

Mezcla combustible aire Combustión 1.0 Con exceso de aire Completa= 1.0 Teórica estequiométrica 1.0 Con exceso de combustible Incompleta

A partir de la definición se tienen que dependiendo de la cantidad de

combustible presente en la mezcla su valor puede ser: mayor, menor o igual

que la unidad, lo que permite determinar si la combustión es completa o

incompleta. La Tabla 3 muestra el resumen de dicha información.

Aire en exceso en la producción de vapor

El exceso de aire se define como la cantidad de éste que es

suministrada al quemador, más allá de la requerida teóricamente (por

estequiometría), para asegurar una combustión completa. Las infiltraciones

de aire dentro de la cámara de combustión traen como consecuencia, el

tener un aire adicional que interferirá con la eficiencia del proceso de

combustión.

Determinación de los productos de la combustión

Entalpia de la combustión

La diferencia entre la entalpía de los productos en un estado

especificado y la entalpía de los reactivos en el mismo estado en una

reacción completa se denomina entalpía de reacción hR .

hR=H∏−H Cmbt

En procesos de combustión, la entalpía de la reacción se le conoce

como entalpía de combustión hC , que representa la cantidad de calor

liberado durante el final del proceso de combustión de flujo estable cuando 1

Kmol o lbmol (1 Kg o 1lbm) de combustible se quema completamente a una

temperatura y presión especificada .

hR=H∏−H reactivos

Entalpía de formación

La entalpía de la combustión no es útil cuando la combustión es

incompleta (casos reales). Así un planteamiento más práctico seria tener una

propiedad fundamental para representar una energía química de un

elemento o un compuesto en algún estado de referencia. Esta propiedad es

la entalpía de formación la cual puede considerarse como la entalpía de una

sustancia en un estado especificado debido a su composición química.

Temperatura de combustión adiabática

En ausencia de cualquier interacción de trabajo y cambios

cualesquiera en la energía cinética y potencial, la energía química liberada

durante un proceso de combustión se pierde como calor a los alrededores.

Cuando más pequeña es la pérdida de calor, tanto mayor resulta el aumento

de la temperatura. En el caso extremo que no exista transferencia de calor

(Q = 0), la temperatura de los productos alcanzará un máximo, conocido

como temperatura de combustión adiabática o de flama adiabática de la

reacción.

Combustión del azufre

El dióxido de azufre es un óxido cuya fórmula molecular es SO2. Es un

gas incoloro con un característico olor asfixiante. Se trata de una sustancia

reductora que, con el tiempo, el contacto con el aire y la humedad, se

convierte en trióxido de azufre. La velocidad de esta reacción en condiciones

normales es baja. En agua se disuelve formando una disolución ácida.

Puede ser concebido como el anhidruro de un hipotético ácido sulfuroso

(H2SO3). Esto —en analogía a lo que pasa con el ácido carbónico— es

inestable en disoluciones ácidas pero forma sales, los sulfitos y

hidrogenosulfitos.

La oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre en presencia de

oxígeno es una reacción que ocurre en forma espontánea muy lentamente

debido a su alta energía de activación. Para acelerar la reacción se utilizan

catalizadores como pentóxido de vanadio (V2O5) o platino que permiten la

oxidación del gas a medida que se produce el contacto con el catalizador

sólido. Antiguamente se utilizaba como catalizador una mezcla de óxidos de

nitrógeno gaseosos. La oxidación mediada por catalizadores es utilizada en

la fabricación industrial de ácido sulfúrico.

SO2 + ½ O2   SO3

La oxidación del dióxido de azufre a trióxido de azufre puede

producirse también por la reacción con ozono. La reacción ocurre en forma

espontánea en las capas altas de la atmósfera. El trióxido de azufre al

reaccionar con el agua presente en las nubes produce ácido sulfúrico, el cuál

disminuye el pH del agua y precipita en forma de lluvia ácida.

3 SO2 + O3 → 3 SO3

SO3 + H2O → H2SO4

La reacción del dióxido de azufre con hidróxido de sodio produce

sulfito de sodio.

SO2 + 2 NaOH → Na2SO3 + H2O

La reducción del dióxido de azufre puede producirse en presencia de

reductores como el ácido sulfhídrico, obteniendose azufre elemental y agua.

SO2 (g) + 2 H2S (g) → 3 S + 2 H2O

Gases de chimenea

Un nivel excesivo de aire significa pérdidas 7 adicionales de energía,

aumento de la temperatura de los gases de chimenea y reducción de la

eficiencia de la caldera. La Tabla 2 contiene las recomendaciones para

ajustar los niveles de exceso de aire, según los diferentes tipos de

combustibles líquido o gas.

Tabla 2

Exceso de aire recomendado

Combustible Exceso de aire recomendado (%)Gas natural 5-10Propano 5-10Gas de coque 5-10Combustóleo (fueloil 6) 10-15Fuente: CIBO, Energy Efficiency Handbook (2010)

Ajustes de exceso de aire en la especificación de quemadores, de

acuerdo con la temperatura del aire de combustión. Este es un problema

muy común en la “especificación de quemadores”, cuando se adquieren

unidades nuevas. En innumerables pruebas e investigaciones, se ha

comprobado que los niveles excesivos de aire provocan incrementos

considerables en el suministro de energía a la caldera y la temperatura de los

gases que salen de la chimenea, así como la reducción significativa de la

eficiencia de la caldera.

En el caso contrario, un bajo nivel del exceso de aire provoca que la

combustión sea incompleta y se produzca hollín e inquemados. Esta

situación ha conducido a que en los diseños de nuevos quemadores se

manejen niveles máximos del 15% de exceso de aire; éstos varían de

acuerdo con el diseño de la caldera y tipo de combustible utilizado (líquido o

gas).

No obstante, debido a que en las diferentes estaciones del año no hay

un nivel fijo de temperatura del aire, es conveniente tomar en consideración

los perfiles de las mismas a lo largo de uno o varios años; esto, con la

finalidad de tomar en cuenta dichas variaciones para los requerimientos de

combustión en la “especificación del Tabla 3. En la tabla 3, se muestra el

efecto de los cambios de temperatura del aire para combustión sobre los

niveles de exceso de aire.

Tabla 2

Efecto de los cambios de temperatura del aire para combustión sobre

los niveles de exceso de aire

oC (F) Exceso resultante de aire4,5 40 25,510,0 50 20,226,7 80 15,537,8 100 9,648,8 120 1,1

Fuente: CIBO, Energy Efficiency Handbook (2010)

Medidor Orsat

Mediante el conocido aparato de Orsat, puede efectuarse un análisis

de los productos de escape a partir del cual es posible calcular la relación

aire/combustible. También puede determinarse el grado de efectividad de la

combustión, y este dato es de vital importancia para el buen funcionamiento

de un hogar o de un motor.

Cuando se necesita una gran exactitud se efectúa la medición real del

caudal del combustible y de aire, pero la medición de este último requiere

gran habilidad y resulta costosa. El método más sencillo consiste en obtener

una muestra de los productos de la combustión y determinar el porcentaje en

volumen de cada gas componente.

Debido a que estos porcentajes se determinan en condiciones de

presión, temperatura y saturación constantes, volúmenes iguales de

cualquiera de los diversos gases contendrán el mismo número de moléculas

(ley de Avogadro). Como quiera que el nitrógeno es inerte, los moles de este

gas que aparezcan en los productos de escape deberán figurar también en la

mezcla de combustible y aire.

Este nitrógeno sirve para indicar la cantidad de aire que entra, pues a

cada mol de oxígeno procedente del aire le acompañan 3,76 moles de

nitrógeno. Análogamente, el carbono que aparece en los productos de

escape constituye un índice del contenido en combustible. Al analizar los

productos de la combustión el vapor de agua se condensa, licúa y llega a

formar parte del fluido succionante del Orsat, y por lo tanto no entra en el

análisis. El análisis equivale al efectuado sobre gases secos.

REFERENCIAS

A. SHAVIT & C. GUTFINGER, Thermodynamics. From concepts to

applications, London, Prentice Hall.

ASME Power Test Codes, Código PTC 4.1 para pruebas de potencia en

unidades de generación de vapor.

CIBO. Council of Industrial Boiler Owners, Energy Efficiency Handbook.-

1997, USA Department of Energy (DOE) de los E.E.U.U.

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