El vapor de agua contenido en el aire varía ampliamente con la tempe- ratura y con el porcentaje de saturación. El aire saturado a 21,l OC contiene 2,46 % de humedad en volumen. El aire a 21,l 00 y 50 % de saturación tiene 0,5 x 2,46 = 1,23 % de humedad, lo cual indica que la humedad en vo- lumen está, en razón directa al porcentaje de saturación. La satiiración a 100 OC señala el 100 O/! de vapor de agua. La cantidad de vapor de agua exis- tente en el aire puede calcularse con bastante exactitud a partir de la grá- fica psicrométrica, si se conocen las t,emperaturas de los bulbos húmedo y seco. En el funcionamiento de los hogares las pérdidas debidas a l a humedad se calculan como un sumando del balance térmico (párr. 111).

La relación molar entre el nitrógeno y oxígeno del aire es la misma que su relación volumétrica, debido a que ambos son gases y se encuentran a la misma temperatura; por lo tanto, se tendrá

C O M B U S T I B L E S Y C O M B U S T I d N

Por lo tanto, el aire requerido será

(8 4- 26,5)/1 = 34,5 kg por kg de hidr6geno

l La combustión del azufre en el aire da

S + 0, + 3,76N2 + SO, + 3,76N,

1 + 1 + 3,78 + 1 + 3,76 en moles 1 32 + 32 + 3,76(28,2) + 64 + 3,76 (28,2) en peso

Dividiendo por 32,

1 + 1 $- 3,30 + 2 + 3,32 en peso Combustible Aire Produrtos

Por lo tanto, el aire requerido por kg de azufre ser8

moles N, 79% -- moles O, 21 0/ó = 3v7C> ' (1 + 3,32)/1 = 4,32 kg 1158)

(149) , Como eiemplo de combustión de hidrocarburds consideremos el caso de

La relación anterior pone de manifiesto que por cada m01 de oxígeno presente en el aire existen 3,76 moles de nitrógeno. Por consiguiente, en un motor de combustión interna, por cada volumen de oxígeno que pasa a través del filtro de aire, carburador, válvulas de admisión y cilindro entran 3,76 volúmenes de nitrógeno.

La combustión del carbono en el aire viene representada por la siguiente relación:

C + 0, + 3,76N, + CO, + 3,76N, (150)

1 + 1 + 3,76 1 +3,7Gonmoles

12 + 32 4- 3,76(28,2) + 44 + 3,76(28,2) en peso

Dividiendo por 12,

1 + 2,667 + 8,84 + 3,667 +- 8,84 en peso Combustible Aire productos

Por lo tanto, el aire requerido será

(2,667 + 8,84)/1 = 11,s kg por kg de carbono (152)

La combw.stión del hidrógeno en el aire viene representada por la siguiente relación:

213, + 0, + 3,76N2 + 2 H 2 0 + 3,76 N, (153)

2 + 1 + 3,76 + 2 + 3,76 on moles

2(2) + 32 + 3,76(28,2) -+ 7(18) + 3,76(28,2) en peso

Dividiendo por 4,

1 + 8 + 26,5 + 9 + 26,5 en peso Coinbustible Aire Productos

" - l a gasolina típica (C,H,,)

C,H,, + (12 .5 )0 , + 12,5(3,76N,) + 8C0, + SH,O t 13,5(3,76N,) (159)

1 + 12,5 + 47 + 8 + 9 + 47 en moles

114 + 400 + 1325 + 352 + 162 + 1325 en peso

Dividiendo por 114

1 + 3,51 -1- 11,62 4 3,09 + 1,42 + 1 l ,62 en peso (1 60) Combustible Aire Produrtos

Así, pues, para la combustión de cada kilogramo de esta gasolina se nece- sitan (3,51 + 11,62)11 o 15,13 kg de aire estando éste constituido por 3,51 kg de oxígeno y 11,62 kg de nitrógeno. La reZación aire/combustible es, por consi- guiente, 15,13 a 1. y la relución combustible/aire es de 1 a 15,13, O sea 0,066. Estas expresiones se utilizan mucho para indicar la riqueza o la pobreza de una mezcla de combustibles y aire. La expresión 159 represent:~ una mezcla perfecta, quimicamente correcta o ideal. Las proporciones químicamente co- rrectas no producen la combustión completa, pues por la ley de la proba- bilidad no es posible que cada una de las extraordinariamente numerosas moléculas que componen el combustible encuentre una molécula de oxígeno para combinarse con ella. Para lograr l a total oxidación del combustible es necesario utilizar una mezcla que tenga un cierto exceso de aire.

Si el aire está en defecto, pueden producirse pérdidas importantes en forma de óxido de carbono, hidrógeno libre e hidrocarburos destilados. E n un hogar el fin que se persigue consiste en emplear el mínimo de exceso de aire compatible con la combustiGn completa. La cantidad de aire en exceso necesaria para el funcionamiento del hogar depende de (1) el tiempo dis-

116 L A P R O D U C C I ó N D E E N E R G f A

ponible antes de que los gases ascendentes alcancen la zona fría del altar y se enfríen por debajo del punto de ignición; (2) la temperatura a la cual se encueritra la mezcla; y (3) del grado de mezclado entre el combustible y el aire. Estos tres factores principales se resumen frecuentemente en las palabras: ((tiempo, temperatura y turbulencia)). Si un combustible puede ser fuerte- mente dispersado y totalmente mezclado con el aire, su combustión puede lograrse con un pequeño exceso de aire.

Ejemplo. Se quema un fuel-oil típico, CI6HB2, con la cantidad correcta de aire. Calcular : (1) la ecuación de combustión; (2) la relación ideal aire/combustible; (3) el porcentaje de COZ. en voliimen, existente en los gases secos de la chimenea, y (4) el por- centaje de N,, en volumen, presente en estos mismos gases.

Solución.

(1) CI6H3, + (24)0, + 3,76(24N2) -i 16C02 + 16H20 + 3,76(24Nz)

1 + 24 + 90,24 -i 16 f 16 + 90,24 en moles Combustible Aire Productos

A - - - kg de n.ire -

24(32) + 90,24(28) = 14,68

F kg de combustible 16(12) + 3"l)

(3) Porcentaje de COZ en los gases secos de la chimenea (en volumen).

l6 = 0,1505 es decir 15,05 ' /O COZ

16 + 90,24

(4) % N, = 100 - 15,05 = 84,95

Observese que 15,05 % de CO, en volumen es el mtíximo qiw puede obtenerse y, por lo tanto, representa combustión perfecta sin exceso de aire.

Ejemplo. Se quema gasolina típica, C8H18, con un 20 o/, de exceso de aire en peso. Calcular (1) la eciiación de combustión; (2) la relación aire/combustible; (3) el o/, CO, en volumen de los gases de escape secos; (4) kilogramos de vapor de agua formados por kilogramos de combustible; (5) volumen de los gases de escape secos por kilogramo de combustible, en el siipuesto de que t = 15,6 OC y P = 1,0336 kg/cm2 (presión absoluta), p (6) presión parcial del vapor de agua en los gases de escape.

solución. Para una relación correcta aire/combustible,

CsHla + (12,5)OZ + 12,5(3,76Nz) -t 8C02 + 9H20 + 12,5(3,76N2)

Con un 20 0/, de aire en exceso,

(1) CaHI8 + 1,2(12,5)0, + 1,2(12,5)3,76N, -t 8C02 + 9H20 -t 1,2(12,5)3,76N, $- (2,510, Combustible Aire Productos

(3) % C02 en los gases secos,

es decir

C O M B U S T I B L E S Y C O M B U S T I Ó N

kg H2O - - 9(2 + 16) = 1,42 kg por kg

kg combustible 12(8) + 18

V NBT ( 5 ) PV = NBT o - = - (9 = peso de combustible quemado en kg)

?nf P x m f

P'H,o PT (6) - = - 9 x 10 336 P'HaO = 8 + 9 + 1,2(12,5)3,76 = 1263,5 kg/m2 (presión absoluta) NH,O NT

Obsérvese que en los productos secos el agua se ha condensado.

92. Aire teórico para la combustión. El peso teórico de aire necesario para quemar un kilogramo de combustible cuyo análisis químico, al igual que en un carbón, es conocido viene dado por

en donde 0, H, O y S representan, respectivamente, los pesos de carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre por kilogramo de combustible.

Se supone que el peso neto de hidrógeno disponible para la combus- tión es el correspondiente al hidrógeno que no está combinado con el oxígeno formando agua. El análisis químico da la humedad permanente del carbón como hidrógeno y oxígeno, y supone que todo el 0, está combinado con el H,. La relación de combinación del H, al O, es de 1 a 8 en peso; por lo tanto, el peso neto de H, disponible para una ulterior oxidación vendrá dado por (H-018).

Ejemplo. Encontrar el peso teórico de aire requerido para quemar 1 kg de car-

1 bón del distrito de Clay, Missouri, tabla 111, para el cual el análisis elemental expresado en % en peso resulta ser : S = 2,97; C = 58,62; H, = 4,05; 0, = 7,54; N, = 1,08 y humedad = 15,83.

Solución.

nt,, = 11,5C + 34,5

= 7,94 kg por kg.

Ejemplo. El anítlisis de un gas natural da los siguientes porcentajes en volumen: etano = 9,O; metano = 90,O; anhídrido carbónico = 0,2, y nitrógeno = 0,8. Calcular el volumen teórico de aire necesario por metro cúbico de gas en el supuesto de que el gas y el aire se encuentran a una t,emperatura de 15,6 O C y una presión de 760 mm de mercurio.

118 L A P R O D U C C l o N D E E N E R G Í A

Solución. E n este gas las únicas materias combustibles son el etano (C,H,I y el

metano (CH,).

C2Hs + (3,5)0, -t 3,5!3,76N2) -+ 2C02 + 3Rz0 + 3,6(3,76N2)

1 + 3,5 + 13,16 -t 2 + 3 f 13,lB Combustible Aire Productos

16,66/1 = ralación airelcombustible en volúmenes o en moles

0,09(16,66) = 1,5 m3 de aire para el C,H,

CH, + (2)0 , + 2(3,76N2) -+ CO, + 2H,O + 2(3,76N,)

1 + 2 f 2(3,76) -t 1 f 2 + 2(3,76) Combustible Aire Productos

9,5211 = relación aire/combustible en volúmenes o en moles

0,90(9,52) = 8,568 m3 de aire para el CH,

Aire tot,al por rnetro cíibico de gas = 1,5 + 8,568 = 10,068 m3.

93. Productos de la combustión. Los gases de escape de los motores y de los hogares se denominan productos de la combustión. Lo composición de estos productos depende del tipo de combustible utilizado; de la relación aire/combustible; y de las condiciones en que se efectúa la combustión. Ge- neralmente, contienen anhícirido carbónico, óxido de carbono, oxígeiio, ni- trógeno, carbono libre, cenizas ligeras, vapor de agua, anhidrido sulfuroso e hidrocarburos no quemados. La mayoría de estos productos son invisibles. E l óxido de carbono presente en los gases de escape puede producir elevadas perdidas de energía. En general, la aparición de densos humos gaseosos es indicio de que se trabaja a baja temperatura O con insuficiente oxígeno.

94. Análisis de los productos de escape. Mediante el conocido aparato de Orsat (párr. 95) puede efectuarse un análisis de los productos de escape a partir del cual es posible calcular la relación aire/combustible. Tambien 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. Por medio de un análisis Orsat de los gases de escape los garajes modernos ajustan en el carburador la relación aire/combustible. Por otra porte, las cen- trales térmicas de vapor registran continuamente, mediante un Orsat, la con- centración de CO, en los gases quemados o de escape, con el fin de controlar la marcha de la operación. En todas las instalaciones de combustión externa se trata siempre de conseguir la máxima concentración en CO,.

Cuando se necesita una gran exactitud se efectúa la medición real del caudal de combustible y de aire, pero la medición de este Último requiere gran habilidad y fesulta 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 deter- minan en condiciones de presión, temperatura y saturación constantes, vo-

C O M B U S T l B L E S Y C O M B U S T I Ó N 119

lúmenes 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 mezcC de combustibles y aire. Este nitrógeno sirve para indicar la cantidad de aire que entra, pues a cada m01 de oxígeno pro- cedente del aire le acompañan 3,76 moles de nitrógeno. Análogamente, el carbono que aparece en los productos de escape constituye un índice del contenido (:n combustible.

Al analizar los productos de la combustióu 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. E l análisis equivale al efectuado sobre gases secos.

Ejemplo. E l anklisis de ciertos gases de escape da los siguientes porcentajes en volumen : CO, = 12,1, 0, = 0,3, CO = 3,3, H , = 1,3, CH4 = 0,3, N, = 82,7. Supo- ~iiendo que el combustible sea un hidrocarburo de la forma C,HY, (1) encontrar los valo- res de x e y; ( 2 ) establecer la ecuación de combustión; y (3) determinar la relación aire/ coinbustible.

Solución.

en donde a = moles de oxígeno (en el aire suministrado)

b = moles (le vapor de agua (en los productos)

3 1 0, = 12,l + 0,3 -t = 14,05 (en los gases secos)

2

(2) Por consiguiente, la ecuación de combiistión sera:

C1~.,7H35,~+ (22)0, + 82,7N, -+ 12,1CO2 f (0,3)0, f 3,3CO f 1,3H2 = 0,3CH, + 8!2,7N, + 15,9H,O

(22 x 32) $- (82,7 x 28,2) (3) Relación aire!combust ible = -= 13,5 lrg por kg

(15,7 X 12) + (36,6 X 1 )

Aunque x e y han sido determinados, la composición del combustible no queda definida en forma decisiva. En realidad puede involucrarse más o menos de 1 m01 de combustible de tal modo que x e y se reduzcan a números enteros al ser multiplicados por una constante, x(C,H,). La proporción de

120 L A P R O D U C C l o N D E E N E R G i A

hidrógeno a carbono, llamada relación hidrógenoJcarbono, es más importante, pudiendo ahora determinarse como HJC, o y/x=35,6/15,7=2,26, o escribirse como CH,,,,. Todos los aceites y gasolinas del Oeste medio de los EE. UU. tienen el valor 2,12 como característico de su relación hidrógeno/carbono.

E l análisis de cualquier gas hay que hacerlo sobre una muestra típica. Debc te- nerse gran cuidado al tomar la muestra para que no resulte diluida con aire. Además, la muestra debe ser característica de los gases que se están produciendo en el momento de efectuar la recogida. Cuando hay que hacer la toma a elevadas temperaturas no es con- veniente utilizar para ello tubos metálicos, pues podrían ser oxidados por el oxígeno de los gases sacados y obtener así una indi- cación errónea del contenido en oxígeno. Si se han de calentar a; rojo, los tubos de cuarzo fundido dan mejor resultado que los de hierro.

95. Aparatos para el análisis de gases quemados. En la figura 51 se representa un aparato de Orsat típico. Las partes funda- mentales del mismo son : la bureta de medi- da A ; el frasco nivelador P; el filtro de gas

FIG. 51. Aparato Orsat. H y las pipetas de absorción B, C, D y E, las cuales se conectan entre sí mediante las

llaves I. Cada una de las pipetas de absorción va provista de un pequeño número de tubos de vidrio, con el fin de exponer una gran superficie, mojada por los reactivos absorbentes, al gas sometido a análisis. La burcta de medida está rodeada de una camisa de agua, para evitar las variaciones de tempera- tura y densidad del gas. E l anhídrido carbónico es absorbido en la pipeta B, la cual está parcialmente llena de potasa cáustica KOH; en la pipeta C queda retenido el oxígeno; dicha pipeta contiene una disolución alcalina de ácido pirogitlico; finalmente, el óxido de carbono es absorbido por una solución ácida de cloruro cuproso contenida en las pipetas D y E. Estas pipetas deben contener algo de cobre metálico, con el fin de mantener la solución activada. Las absorciones deben realizarse en el orden indicado, obteniéndose el nitró- geno por diferencia. Deben utilizarse reactivos recién preparados, y han de mantenerse protegidos del aire. Las conexiones existentes entre las divcr- sas partes del aparato no deben presentar fugas.

96. Peso real del aire de la combustión. En el párrafo 94 se describe un método de verificar el análisis de los gases de escape, el cual es aplicable

C O M B U S T l B L E S Y C O M B U S T I Ó N 121

a gases y aceites, sobre todo si se conoce la fórmula química. En otro mé- todo, análisis de los gases de la chimenea, el análisis elemental del combusti- ble empleado y los pesos moleculares de los principales constituyentes de los gases de la chimenea proporcionan datos para calcular la cantidad real de aire empleado por kilogramo de combustible. Los porcentajes de COZ, O,, CO y N, de los gases de la chimenea han de tomarse en volumen: el contenido del combustible en carbono se tonla en peso.

Si se consideran 100 volúmenes molares de gases quemados, o de escape, los porcentajes del análisis de dichos gases representan los volúmenes mo- lares de cada constituyente presente. El peso de nitrógeno es 38 x N,, y el peso de carbono presente en forma de COZ y CO es 12 (CO, + CO). Por lo tanto el peso de nitrógeno por kilogramo de carbono será

28N, 12 (CO, + CO)

Como 1 kg de aire contiene 0,769 kg de nitfógeno? el peso de aire, m,, por kilogramo de carbono dado por

28N2 m, =

12 (CO, + C O ) x 0,769

En las cenizas y residuo de los combustibles sólidos puede haber carbono no quemado. En tales circunstancias los cálculos que llevan consigo el empleo de los análisis de los gases quemados o de escape deben basarse en el car- bono realmente quemado por kilogramo de combustible. La cantidad real de carbono consumido por kilogramo viene dado por la expresión,

en donde

C, = carbono quemado por kilogramo de combustible, en kg mt = peso de combustible quemado, en kg Ct = carbono del combustible según el análisis elemenkal, en y/,. m, - peso del residuo procedente de mt kilogramos de combustible, en kg. C, = carbono contenido en el residuo, en y/,.

Si C, no ha sido determinado por análisis, puede encontrarse mediante la expresión:

en donde A = % de cenizas obtenidas en el análisis elemental. Utilizando el producto m& por C:, se tiene

28N, m,Ct - m,C, ".aa = 12 (CO, + CO) x 0,769 m, % 100

122 L A P R O D U C C I Ó N D E E N E R G f A

en donde m,, = peso real de aire seco utilizado por kilogramo de combus- tible quemado, en kg.

Cuando se tiene en cuenta el nitrógeno contenido en el carbón, debe dividirse su porcentaje por 76,9, deduciendo de m,, el peso de aire equiva- lente. Esta corrección representa el aire equivalente al nitrógeno contenido e n los gases quemados de la chimenea procedentes del nitrógeno del combua- tible.

97. Peso del exceso de aire. El exceso de aire se expresa generalmente como un porcentaje del requerido teóricamente.

en donde

E, = porcentaje de aire en exceso. m,, = cantidad real de aire empleado por kilogramo de combustible, en kg. m,, = cantidad teórica de aire requerido por kilogramo de combustible, en kg.

El porcentaje de aire en exceso requerido para una buena combustión puede variar de 10 a 60. Frecuentemente, al quemar combustibles sólidos, los huecos que se originan en el fuego, los fuegos débiles, las fuertes corrientes de aire, o bien las fugas de la caldera y del hogar, pueden hacer que el por- centaje de exceso de aire sea grande. Los montajes defectuosos de los que- madores de gas o de aceite pueden permitir el paso de un gran volumen de exceso de aire a través del hogar.

98. Peso de gases secos por kilogramo de combustible. Basándose en idén- ticos razonamientos a los empleados para expresar la cantidad real de aire empleado por kilogramo de combustible, se encuentra, para el peso de los gases secos formados por kilogramo de carbono, la siguiente expresión:

mg = 44C0, + (32)0, + 28(CO + N,)

12(CO, + CO)

Los símbolos CO,, O,, CO y N representan los porcentajes. en volumen determinados mediante el análisis de los gases quemados de la chimenea.

La expresión 167 puede simplificarse del modo siguiente:

44C0, + (32)0, + 28 [(lo0 - COZ - 0, - N,) + N,] ?ng = 12 (CO, + CO)

E l peso real de gas seco formado por kilogramo de combustible se enciien- t r a efectuando el producto C, x m,.

4C0, + O, + 700 mlCi - m,C,

= [ :j(CO, + CO) 1 [ mf x 100 I

C O M B U S T I B L E S Y C O M B U S T I Ó N 123

Utilizando la fórmula 170 es posible obtener el peso real de aire seco suministrado por kilogramo de combustible quemado. Un cálculo tal implica la deducción del peso de carbono C, realmente quemado por kilogramo de combustible del peso de los gases secos, y la adición del oxígeno necesario para la combustión del hidrógeno. El nitrógeno procedente del aire empleado en la combustión del hidrógeno aparece incluido en el contenido total de nitrógeno de los gases de la chimenea.

En la fórmula 170 se determina C, haciendo uso de la fórmula 163, y H y O son los porcentajes de cada uno de estos elemsntos en el combustible divididos por 100. Los cálculos hechos mediante la fórmula 170 coinciden aproximadamente con los efectuados utilizando la fórmula 165.

PROBLEMAS

1. Una muestra de 7 kg de carbón pesa, después de ser desecada al aire, 6,7 kg. Cuando se deseca en la estufa, 1,20 g de la muestra desecada al aire se reducen a iin

peso de 1,17 g. Encontrar el porcentaje total de humedad de la muestra original.

Solución : 6,8 %. 2. Un carbón húmedo al ser desecado al aire pierde un 5 % de su peso original.

Cierta cantidad del carbón desecado al aire se deseca en la estufa, produciéndose una pérdida del 7 0/, del peso de la substancia desecada al aire. ¿Cuál es la humedad total del carbón original expresada en tanto por ciento?

3. Expresar el análisis elemental del carbón bituminoso del distrito de F r d l i n . Illinois, en los dos casos sigui'entes : a) muestra seca; b ) sin humedad ni cenizas.

4. Determinar el análisis inmediato del carbón bituminoso del distrito de Craw- ford, Kansas, cuando está seco y cuando está sin humedad ni cenizas.

5. Expresar el análisis inmediato del carbón de antracita del distrito de Lacka- wanna, Pennsylvania, en los dos casos siguientes : seco y sin humedad ni cenizas.

6. Calcular, mediante la fórmula de Dulonz, la potencia calorifica del carbón bituminoso del distrito de Franklin, Illinois, tal como se recibe y una vez desecado.

Solución : tal como se recibe : 6 367 kcal por kg; seco, 7 196 lrcal por kg. 7. Calcular, utilizando la fórmula de Dulong, la potencia calorífica del carbón

bituminoso del distrito de Clay, Missouri, una vez desecado y por kilogramn de com- bustible.

8. Calcular la potencia calorifica del carbón del Oeste de Virginia cuyo análisis. expresado en tanto por ciento en peso, es el siguiente : C = 78,71; H, = 4,45; 0, = 4,33; N, = 1,31; S = 0,68; humedad = 2,52; cenizas = 8,OO.

9. El análisis elemental de un carbón, expresado en tanto por ciento en peso, es el siguiente : C = 70,75; H, = 4,62; 0, = 9,94; S = 0,54; humedad = 9,72 y cenizas =

4,43. Cuando se queman en un hogar 19 435 kg de este carbón se recogen 981 kg de ceni- zas y residuo, de los cuales el 14 resulta ser carbono. El análisis de los gases de la

chimenea proporciona los siguientes datos expresados en tanto por ciento en volumen: CO, = 11,O; 0, = 6,O; CO = 0,6. cuál es el porcentaje de exceso de aire utilizado?

Solución : 64,O %. 10. Se quema un carbón, cuyo análisis elemental expresado en tanto por ciento

en peso es el siguiente: C = 68,6; H2 = 6,l; 0, = 8,2; N,= 1,7; S = 3,l; cenizas = 12,30. Los gases pt.oducidos tienen la siguiente composición, expresada en tanto por ciento en volumen : CO, = 13,33; 0,2 = 6,16; CO = 0,O. La temperatura del aire suministrado es de 27O C; la temperatura de los gases que salen del hogar es de 163 OC; los gases de la chimenea tienen un calor específico cp = 0,25; el carbono no quemado es 0,02 kg por kg de carbón quemado. Calcular : (a) el aire teórico necemrio en kg por kg; ( b ) la cantidad real de aire utilizado en kilogramos por kilogramo; y (c) las pérdidas de calor debidas a los gases secos, en kcal por kilogramo de carbón.

11. Un carbón que contiene 61,7 % de carbono requiere teóricamente 10,5 kg de aire por kg para su combustión completa. Durante la combustión el 2 % del carbono se pierde en el residuo. Encontrar el porcentaje de aire en exceso empleado si el análisis del gas de la chimenea da los siguientes porcentajes en volumen : CO, = 10,l; CO = 0,O; 0, = 8.3, y N, = 81,6.

12. Un fuel-oil tiene una densidad API de 32 grados a 15,6 C. Calcular su poten- cia calorifica por litro. Solución: 9306 kcal por litro.

13. Calcular la potencia calorífica superior a 25 OC y a una presión absoluta de 1.033 kg/cm2 de 1 kg de un gas natural cuya composición centesimal en volumen es la siguiente : CH, = 94,3; C,H, = 4,2; COZ = 1,5.

14. Un depósito de grts cuya capacidad es de 675 mS contiene gas a una presión absoluta de 1,75 kg/cm2 p a una temperatura de 4,4 OC. La potencia calorífica superior del gas es de 5340 kcal por mS a 15,6 OC y a una presión absoluta de 1,033 kg/cm2. Cal- cular la potencia cdorífica de este gas por metro cúbico de volumen del depósito.

15. Cuando 1,2 g de carbón desecado al aire se queman en un cdorímetro de bomba de oxígeno la elevación de temperatura experimentada por 2000 g de agua es de 3,62 oC, de los cuales 0,19 OC son debidos a la fusión del alambre y a la formación de Bcido. El equivalente en agua de las partes metálicas del calorímetro es igual a 450 g. Calcular la potencia calorífica del carbón seco.

16. Un gas natural, medido a una temperatura de 26,7 OC y a una presión de 127 mm de columna de agus (temperatura, 15,6 oC), se quema en un calorímetro de gas, obteniéndose los siguientes datos : temperatura del agua a la entrada 7 22,85 OC; tem- peratura del agua a la salida = 33,15 OC; peso de agua utilizada = 5,993 kg; gas utili- zado = 8,5 litros, y presión barométrica = 711,2 mm de mercurio. Calcular la potencia calorífica superior del gas por metro cúbico a 15,6 OC y a una presión absoluta de 1,033 kg/cm2, suponiendo que todo el vapor de agua formado se condense.

Solucwn: 6 443,6 kcal por m3 17. Calcular el volumen teórico de aire necesario para la combustión con~pleta

de 1 kg de carbón procedente del distrito de Fayette, Pennsflvmia, cuando la tempe- ratura del aire es de 21,l oC y la presión barométrica de 760 mm de mercurio.

18. Determinar el peso teórico de aire requerido por kilogramo de carbón proce- dente del distrito de Franklin, Illinois, para su combustión.

19. Determinar la relación aire,/combustible requerida para la combustión del

C,,H,,. Solución : 13,75 por kg.

C O M B U S T I B L E S Y C O M B U S T I Ó N 125

20. Se quema C,H18 con un 10 % de aire en exceso. Suponiendo que la combus- tión sea completa, encontrar (a) la relación aire/combustible, en kilogramos por kilogra- mo; (b) el % de COZ medido por un Orsat; (c) el volumen de aire, a una presión abso- luta de 0,98 kg/cm2 y a una temperatura de 37,8 OC, necesitado por kilogramo de com- bustible; y (d) el peso de gases secos formados por kilogramo de aceite.

21. Se quema C,H16 con el peso químicamente correcto de aire. Suponiendo que la combustión sea completa, encontrar (a) la ecuación de combustión; (b) el tanto pb- ciento de CO, de los gases de escape secos; (c) la relación aire/combustible en kilogramos por kilogramo; (d) los kilogramos de vapor de agua formado por kilogramo de combus- tible; y (e) la temperatura del punto de rocío de los gases de escape húniedos si la pre- sión atmosférica es de 1,033 kg/cm2.

22. LO mismo que en el problema 21, pero empleando un 20 % en peso de exceso de aire.

23. Se quema C,Hl, con un 20 % de aire en defecto. Encontrar (a) la ecuación de combustión suponiendo que se quema todo el H,; (b) el porcentaje de CO, leído en un Orsat; (c) la relación aire/combustible en kilogramos por kilogramo; (d) los kilogra- mos de vapor de agua formado por kilogramo de combystible quemado; y (e) presión parcial absoluta, en kg/cm2, del vapor de agua formado si la presión atmosferica es de 1,033 kg/cm,. Solución : (b ) 6,49 %; (c) 12,l kg/kg; (d) 1,44 kg/kg; (e) 0,1715 kg/cma

24. Un fuel-oil constituido por CllH,, se quema utilizando la relación airelcom- bustible químicamente correcta. Encontrar (a) los kilogramos de humedad formados por kilogramo de combustible; ( b ) la presión parcial absoluta del vapor de agua, en kg/cm2; (c) el porcentaje de CO, de los gases de la chimenea, leído en un Orsat, y (d) el volumen de los gases de la chimenea en metros cúbicos por kilogramo de aceite si la temperatura es de 282 OC y la presión absoluta 1,033 kg/cm2.

25. El anÉlisis Orsat de los gases de escape de un motor de combustión interna da los siguientes porcentajes en volumen : COZ = 12,l; 0, =. 0,3; CO = 3,6; H2 = 1,3; CH, = 0,3; N, = 82,5. Determinar : (a) La probable ecuación de combustión; ( b ) la pro- bable fórmula del combustible, y (c) la relación aire/combustible. Solucaün: (c) = 13,3

kg/kg. 28. Se quema un kilogramo de C,H,, con el 80 % del aire teórico, a una presión

absoluta de 1,033 kg/cm2. E n el supuesto de que únicamente se forme CO,, CO, H,O y N,, encontrar (a) la ecuación de combustión; (b) el porcentaje de CO, en volumen, en los productos secos; y (c) presión parcial (absoluta), en kg/cm2, del COZ en los produc- tos saponiendo que no se produce condensación.

27. Mediante un Orsat se obtienen los siguientes porcentajes en volumen, corres- pondientes a un combustible desconocido quemado en un motor Diese1 en condiciones de media carga : COZ = 3,5; 0, = 16,O; CO = 0,O; N, = 80,5. Determinar (a) la pro. bable composición del combustible; la relación aire/combustible, kilogramos por kilo- gramo; y el tanto por ciento de aire en exceso.

L A P R O D U C C l o N D E E N E R G Í A

18 160[193,76 + (0,97 x 476,45) - 106,31 _ 174,8 HP de caldora = 543,4 X 15,66

111. Balance térmico de los generadores de vapor. La distribución del calor resultante de la combustión del combustible en el hogar de una caldera se comprende mejor por medio del balance térmico, el cual consiste en con- feccionar una tabla con el calor absorbido por el generador de vapor y con las varias perdidas calorificas concurrentes en la combustión.. Generalmente los cálculos se expresan en kcal por kg de combustible y en porcentajes; por consiguiente los totales tendrán que ser la potencia calorifica superior del combustible quemado y 100, respectivamente. Los conceptos que hay que considerar son los siguientes:

1. Calor abeorbido por el generador de uapor. E1 calor absorbido por el generador de vapor (incluyendo el economizador y recalentadores, caso de utilizarlos) puede calcularse por la fórmiila

en donde H , = kcal absorbidas por el agua y vapor por kilogramo de com- bustible, tal como se quema. Las restantes - letras tienen el mismo significado que en las fórmulas 171 y 175.

2. Pérdidas calorificas debidas a la humedad del combustible. La hume- dad del combustible se vaporiza y abandona la caidera en forma de vapor recalentado. La presión absoluta parcial del vapor recalentado en los gases de los humerales se supone que vale 0,07 kg/cm2. Su t mperatura es la de dichos gases H~ = ntni(h" - Id,)

P (177)

en donde H2 = perdidas caloríficas en kcal por kilogramo de combustible tal como se quema. m, = peso de la humedad lihre, en kilogramos por kilogramo'de combustiMe tal

a como se queme. h" = entalpía do1 vapor recalentado a la temperatura de los gases de los humerales

y a una presión absoluta de 0,07 kg/cm2, en kcal por kg. h', =< entalpía ciel líquido a la temperatura a la ciial el coinbustible entra en el

hogar, en kcal por k5.

3. Pérdidas calorificas debidas al agua procedente de la combustión del hidrógeno. E l hidrógeno del combiistibla al quemarse se transforma en agua, la c i i J abandona la caldera en forma de vapor, recalentado

H, .= PH,(h" - it'/) (178) en donde

H, = pérdidas caloríficas en kcal por kilogramo de combustible tal como se quema. R.\ h,.rlt -m

Hy = peso en kilogramos pbr kilogramo de combustible tal corno so quema.

G E N E . R A D 0 R E . S Y C A L D E R A S D E V A P O R 147

4 . Pérciidas calorificas debidas a la humedad del aire suministrado. Estas perdidas caloríficas son pequeñas y pueden calciilsrse mediante fhrmula

H4 = perdidas caloríficas, en kcal por kilogramo de combustible tal como se quema. m, = porcentaje de satiiración expresado en forma decimal multiplicado por el

peso de vapor de agua requerido para saturar 1 kg de aire seco (ta- bla XVIII, aphdice) a ta, multiplicado por el peso de aire seco empleado por kilogramo de combustible, tal como se quema.

0,46 = calor específico medio del vapor de agua desde t g a ta. l g = tempera.tura de los gases de la combusti6n a la salida de la caldera. en OC. t , = temperatura del aire al entrar en el hogar, en O C .

6. Pérdidas calorificas debidas a los gases de l a chimenea secos. Esta perdida es generalment,e la m á ~ importante y se calcula por la siguiente fórmula

H5 = m d g c p ( t g - l a ) (180) en donde

H, = perdidas en kcal por kilogramo de combustible tal como se quema. mdg = peso de los gases se ,os a la salida de la caldera, en kilogramos, por kilogramo

de combustible tal como se quema (v6ase fórm. 169).

c p = calor específico medio de los gases secos (valor aprox. = 0,24).

6. Pérdidas calorificas debidas al combustible gaseoso s in quemar. Esta perdida generalme~t~e es pequeña y es debida a que el aire se suministra en cantidad insuficiente. lo cual da como residtado que parte del carbono del combustible forme óxido de carbono

H, = CO, + CO x 5 689,G x C,

H , = pérdidas caloríficas en kcal por kilogramo de combustible tal como SR quema.

CO y'C02 = porcentajes en volumen determinados por análisis de los gases de los humerales.

C, = peso del carbono realmente quemado por kilogramo de comhustible (véase fórni. 163).

7. Pdrdidas calorificas debidas al combustible s in cons,umir contenido en las cenizas y escorias. Parte del carbono del combustible, ya sea sin quemar O parcialmente qixema<lo, cae en el cenicero. Esta párdida depende del tipo cle parrilla, velocidad de combustión y tamaño y clase de carbón.

148 L A P R O D U C C I Ó N D E E N E R G f A

en donde -H7 = pérdidas caloríficas en kcal por kilogramo de combustible tal como se quema. m, = peso de las cenizas y escorias, en kilogramos por hora. C, = peso de carbono, en kg, por kg de cenizas y.escorias.

8. Pérdidas calorificas debidas al hidrógeno e hidrocarburos sin consu- mir , radiación y otras pérdidas. Estas perdidas se determinan restando el calor absorbido por la caldera, y las pérdidas caloríficas 2 a 7 inclusive, de la potencia calorífica del combustible tal como se quema. Perdidas varias son aquellas que no se pueden medir.

H B = F - ( H l + H , + H a + H o + H , + H , + H 7 ) (183)

Ejemplo. En un ensayo realizado con una caldera se obtuvieron los siguientes resultados:

Calor absorbido por la caldera, 74,8 % de la potencia calorífica superior del com- bustible quemado. Análisis del carbbn quemado, porcentajes en peso : C, 62; H, 4; N,, 1; O,, 8; S, 2; humedad, 8; cenizas, 15, y kcal por kg, 6 608. Análisis de los gases de los hu- merales, p~rcent~aj'es en volumen : CO,, 13; CO, 1; O-, 5 y N,, 81.

Temperatura del aire y del combustible al entrar en el hogar, 23,2 OC; temperatura de los gases de los humerales, 233 OC; temperatura del vapor en la caldera, 182 OC; por- centaje de saturación del aire al entrar en el hogar, 70 %; carbón quemado por hora, 908 kg; cenizas y escorias por hora, 190,68 kg; y carbono sin quemar en las cenizas y escorias, 18 %. Presión barométrica, 760 mm de mercurio. Calcular y tabular el balance termico completo de dicha caldera por kilogramo de combustible tal como se quema.

801uci6n. Peso de carbono contenido en los gases de los humerales (fórm. 163),

908 X 62- 190,7 X 18 C, = 908 X 100

= 0,5822 kg por kg de carbón \

Peso de los gases de la chimenea secos (fórm. 169),

md, = l3 + + 'O0 x 0,5822 = 10,494 kg por kg de carbón 3(13 + 1)

Peso del aire seco suministrado (fórm. 170),

m, = 10,494 -0,5822 + 8 = 10,15 kg por kg de carbón

E l balance termico tal como se calcula ordinariamente da Únicamente la dhtribución de las pérdidas reales del generador de vapor trabajando du- rante un período de tiempo limitado, pero no representa condiciones promedio de trabajo, toda vez que no se consideran la,s pérdidas circunstanciales. Estas perdidas comprenden : (1) pérdidas caloríficas que se producen al apagar la caldera,; (2). combustible requerido para poner en marcha la caldera estando fría; (3) combustible quemado mientras se (tnrreglan)) los fuegos, y (4) calor perdido con el agua al hacer purgas, y al limpiar las superficies de la caldera. Algunas de la perdidas caloríficas reales pueden reducirse considerablemente

G E N E R A D O R E S Y C A L D E R A S D E V A P O R 149

e incluso elimina'rse del todo; otras son inherentes y no pueden evitarse. Pér- didas inherentes son aquellas pérdidas producidas al descargar los productos de la combustión (gases de los humerales, humedad del combustible, humedad del aire suministrado para la combustión, humedad producida por la com- bustión del hidrógeno) a temperatura más elevada que aquellza la cual entran en el hogar.

112. Accesorios de las calderas. Los accesorios que generalmente llevan las calderas son : manómetro (párr. 8), nivel de agua, regulador del agua de alimentación, válvulas de seguridad, tapones fusibles, purgadores, sopladores de hollín, indicadores de tiro y aparatos de control.

Los niveles de agua del tipo representado en la figura 66 se montan en la parte frontal del cuerpo cilíndrico de la caldera, de forma que puedan verse desde el suelo. La parte alta del nivel de agua se pone en comunicación con la cámara de vapor del cuerpo cilíndrico de la caldera, y el otro extremo, con la de agua. El nivel de agua representado en la figura 66a va provisto de un dispositivo de alarma para denunciar los niveles ((alto, y ((bajo)). Su fun- cionamiento se basa en el desplazamiento de flotadores suspendidas Qe dos palancas; el conjunto se halla en equilibrio estático cuando el nivel del agua es el normal, estando entonces cerrada la válvula de alarma. En el momento en que prevalecen las condiciones de nivel ((alto)) O ((bajo)) se rompe el equi- librio, la válvula se abre y se-escapa vapor, el cual hace funcionar el aparato de alarma. La figura 66b se construye para presiones relativas hasta

Concepto

Calor absorbido por la caldera. .

Humedad del com- bustible.. . . . . .

Hidrógeno del combustible.. . .

Humedad del aire. Gases de la chi-

menea secos.. . Combustión in-

completa.. . . . . Combustible con-

tenido en las ce- nizas y escorias

Pérdidas por ra- diación y pérdi- das varias. . . . .

Procedimiento de c&lculo

0,748 x 6 608

0,08 x (m9 - 23,5)

9 x 0,04 x (m9 - 23,5) 0,7 x 0,01815 x 10,15 x 0,46 x (233 - 23,2)

10,494 X 0,24(233 - 23,2)

[l : (13 + 1)]5 689,6 x 0,5822

(8 148 X 190,7 X 0,18) : 908

Por diferencia

Total.. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Kcal --

4942,6

54,9

246,4 12,88

533

236,9

308

273,32

6 608

Porcentaje -

74

0,83

3,73 0,18

8,07

3,59

4,66

4,14

100

158. Sección recta y altura de una chimenea. La acción creadora de l a circulación de los gases y necesaria para vencer los rozamientos expresada, en kilogramos por metro cuadrado, es igual a la altura de la chimenea, h en metros sobre el nivel de la parrilla, por l a diferencia de densidades del aire del exterior da y la densidad media de los gaees quemados d, dentro de la, chimenea. Esta depresión vale, por lo tanto, h x (da .- d,). La presión equi- valente a 1 cm de agua expresada en kg/m2 valdrá D : 100, siendo D el peso de 1 m3 de agua a la temperatura que en la chimenea tienen los gases que- mados. El tiro teórico en centímetros de columna de agua valdrá

La densidad del aire del exterior y la media de los gases quemados puede calciilarse mediante la fórmula de los gases P V = mRP. La densidad del aire y de los gases es igual a m cuando V = 1 m3. El valor de R es igual 'a 29,29 kgm por grado 0, para el aire y gases quemados. Cuando se conoce la presión barométrica B, en milímetros de mercurio, P / R = 13,6 B/29,29 =

= 0,464 B, los valores de d,, y d, serán respectivamente iguales a 0,464B/T, y 0,464 R/Tg, siendo Tu y T, las temperaturas absolutas del aire y gases quemados respectivamente. De lo dicho resulta:

Para un valor de tiro requerido teóricamente h,, en centímetros de agua, la altura de la chimenea, en metros, será:

El valor teórico del tiro raras veces se obtiene con una chimenea, y el valor real puede ser 0,s del posible teórico. El tiro hc expresado en metros de columna de gases quemados vale:

1 T hc = h(da- = 0,464Bh - - - x -

4 [ T,, ) 0,464B -

La velocidad teórica de los gases quemados es

V = v2gh, , en mjseg; (I] = 9,81 m/seg2)

y en funcidn de la altura de la chimenea y de las temperaturas,

P R O D U C C I Ó N D E L T I R O - C H I M E N E A S Y V E N T I L A D O R E S 211

En realidad las velocidades de los gases quemados oscilan entre el 30 y 50 por ciento de las teóricas, debido a la rugosidad de las siiparficies internas de la chimenea. Bl área de la shcción recta de ésta, en metros cuadrados, es

en donde Q = volumen de los gases, en ma/seg. Ii = coeficiente de velocidad 0,3 a 0,5. V = velocidad teórica de los gases, en mlseg.

Ejemplo. Una central de calderas de vapor consume 9 080 kg de carbón por hora y produce 20 unidades (en peso) de gases por unidad (en peso) de carh6n quemado. La temperatura del aire del exterior es 32,2 OC; la temperatura media de los gases quemados al entrar en la chimenea es 343,3 OC: y la temperatura media de aquéllos en el interior de ésta es 260 oC. La densidad del fluido del aparato medio del tiro es 996,24 kg/ma, y el tiro teórico vale 2,29 cm (0,9 pulg) de agua en la b n ~ e de la chimenea cuando la pre- sión atmosférica es de 760 xrun (29,92 pulg) de mercurio. Calcular las di~nensiones de la chimenea requerida.

Adoptando un coeficiente de velocidad de 0,4 y suponiendo que la densidad de 10s gases sea igual a la del aire seco a 343,3 O C , esto es, 0,5758 kg/ma, se tiene

E1 ditimetro de la chimenea valdrá:

q ( 4 x 8,365)/3,1416 = 3,28 m

El punto débil de este método de cálculo está en la hipótesis del coe- ficiente de velocidad y en la relación entre el tiro real y el teórico posible. La mayoría de las fórmulas empíricas para el cálculo de chimeneas llevan incorporadas dichas hipótesis.

159. Tiro mecánico. El tiro creado por la acción de inyectores de aire o vapor, o mediante ventiladores, se conoce como tiro mecánico, el c q d se requiere cuando deba mantenerse un determinado tiro con independench de las condiciones atmosféricas y del régimen de funcionamiento de la caldera. Asimismo es necesario cuando resulta insuficiente el tiro natural proporcio- nado por la chimenea. Los equipos auxiliares de las calderas, tales como re- cuperadores y precalentadores de aire, reducen la temperatura de los gases.