Sistemas de Combustión W. Gonzales M. Ejemplos de Sistemas de Combustión Combustible Oxígeno Temperatura Sistemas de combustión domésticos Sistemas de combustión industriales Sistemas de combustión en la industria de hidrocarburos Motores de combustión interna Turbinas de generación de energía eléctrica
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Sistemas de Combustión
W. Gonzales M.
Ejemplos de Sistemas de Combustión
Combustible
Oxígeno Temperatura
Sistemas de combustión
domésticos
Sistemas de combustión
industriales
Sistemas de combustión en la
industria de hidrocarburos
Motores de combustión interna
Turbinas de generación de
energía eléctrica
W. Gonzales M.
Sistemas de Combustión Domésticos
Muchos quemadores domésticos y algunos
industriales usan llamas estabilizadas en la
tobera, en una modificación del quemador
Bunsen tradicional .
El gas combustible induce su propia provisión
de aire por un proceso de eyector (regulado
por el registro), y los reactantes están
premezclados al llegar a las toberas de
quemado. La llama es estabilizada por la
pérdida de calor al cuerpo del quemador.
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Sistemas de Combustión Domésticos
En estos quemadores son de especial interés los problemas de:
• Velocidad de la llama
• Estabilización de la llama (soplado y retroceso)
• Radiación
• Ruido
• Emisión de contaminantes, especialmente NOx.
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Sistemas de Combustión Industrial
Los puntos de interés incluyen:
• Estabilidad de la llama
• Evaporación y quemado de gotas
(gasoil y fueloil)
• Mezclado de aire y combustible
• Largo de la llama
• Radiación
• Emisión de contaminantes,
particularmente NOx y humo/ hollín.
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Sistemas de Combustión en la Industria
Calentadores de fuego directo
Calentadores por tubo caliente
Aplicaciones
Calentamiento del aceite caliente
Calentadores para regeneración de gas
Soluciones de amina
Recalentadores de estabilización
Calentamiento de agua indirecta
Vaporizadores de propano e hidrocarburos
más pesados
Calentador de aceite caliente y baños de sal
Recalentador de glycol y amina
Generador de vapor de baja presión
Características
Elevada eficiencia térmica
Requiere menor espacio
Combustión natural o forzada
Potencias de calentamiento inferiores a 10
MMBtu/hr
Menor posibilidad de daño en los tubos
Combustión forzada o natural
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Sistemas de Combustión en la Industria de
Hidrocarburos
En la industria de procesamiento de
gas el combustible que se utiliza es
usualmente el mismo gas natural,
sin embargo algunas veces pueden
utilizarse etano, propano, o petróleo
liviano.
Entre los procesos se puede
mencionar que se tienen fluidos
desde gas natural, hidrocarburos
livianos, agua, glycol, soluciones de
amina y aceite de calentamiento.
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Sistemas de Combustión en Motores Generadores
En los motores a ciclo Otto una llama de alto grado de turbulencia
avanza a través de la mezcla de aire y combustible. Se produce aún
mayor compresión de la mezcla a medida que avanza el frente de
llama, dando origen a problemas de preignición y detonación. Los
problemas a estudiar incluyen:
• Uniformidad espacial y temporal de la mezcla aire-combustible
• Uniformidad de encendido ciclo a ciclo
• Velocidad de la llama turbulenta
• Detonación
• Emisión de contaminantes
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Sistemas de Combustión en Motores
En el motor diesel se rocía el combustible en el seno del aire a alta
presión y temperatura, con lo que se produce auto ignición. La llama
toma la forma de un chorro o pincel de fuego. Los problemas a estudiar
incluyen:
• Evaporación y auto ignición del combustible evaporado inicialmente
• Combustión del rocío de combustible, calidad de mezcla
• Emisión de contaminantes, especialmente NOx.
• Combustión completa
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Sistemas de Combustión en Turbinas
Problemas de combustión:
• Obtener una alta intensidad de combustión
• Estabilidad cubriendo un amplio rango de presiones
• Combustión de rocíos
• Obtener altos niveles de turbulencia con bajas pérdidas de presión
• Emisión de contaminantes.
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Sistemas de Combustión en Turbinas
Aquí, el combustible es rociado y quema en aproximadamente un cuarto
del caudal de aire. El resto del aire se añade luego para diluir los
productos de combustión y rebajar la temperatura hasta la temperatura
de entrada a la turbina (TIT) deseada.
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Ciclo de la Combustión de Líquidos
Tanque de
combustible
Sistema
de filtros
Sistema de
bombeo
Sistema de
Calentamiento Vapor
sobrecalentad
o
Aire de la
atmósfera
Sistema de
ventilación de
tiro forzado
Rejillas de
control de flujo
y cámara de
vientos
Estación de
control y
regulación del
quemador
Hogar de
combustión
Humos
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Ciclo de Alimentación de Combustible
La Figura anterior ilustra la instalación de un equipo de combustión de
combustibles líquidos. Este generalmente consta de un tanque de
almacenamiento, de donde pasa el combustible al grupo de
calentamiento y bombeo en el caso del (fuel-oil).
Este grupo generalmente está compuesto de filtros de entrada y salida,
bombas con presión controlada a la descarga, normalmente del 100% de
capacidad cada una.
El fuel oil a presión constante controlada pasa a los calentadores, que
pueden ser eléctricos y de vapor o agua caliente, o bien una
combinación de ellos, para obtener una temperatura de fuel oil a la
salida de aproximadamente 90 oC ( 194 oF) para alcanzar la viscosidad
requerida.
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Ciclo de Alimentación de Combustible
El fuel oil así preparado llega a la estación de control y regulación del
quemador.
Una línea de vapor de atomización a una presión ligeramente superior
a la del fuel oil, llega también al quemador. La presión de este vapor se
regula constantemente en función de la presión del fuel oil, para
mantenerla entre 1 y 1,5 kg/cm2 por encima.
La buena atomización se consigue con una determinada boquilla en el
quemador, gracias a cuatro factores principales a vigilar: viscosidad
constante del fuel oil , presión del vapor de atomización superior a la del
fuel oil entre 1 y 1,5 kg/cm2 , que la boquilla trabaje dentro del rango de
presión especificado y mantener la boquilla limpia.
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Rejillas de
control de flujo
y cámara de
vientos
Aire de la
atmósfera
Sistema de
ventilación de
tiro forzado
Estación de
control y
regulación del
quemador
Sistema de
medición de
caudal de aire
(venturi)
Alimentación
de gas
combustible
Humos
Ciclo de la Combustión de Gases
Hogar de
combustión
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Ciclo de Alimentación de Aire
El ventilador de tiro forzado aspira el aire de la atmósfera y lo lanza por
el conducto en dirección del quemador.
En este conducto generalmente se encuentra ubicado el venturí de
medida de caudal del aire y termina el conducto en la caja de vientos.
La caja de vientos es una cámara en la que están situados los registros
de aire. Ubicada en el frontis de quemadores, el aire pasa al hogar para
intervenir en la combustión a través de los registros, reflectores y
gargantas.
Los registros que están centrados con las gargantas, difusores y el
propio quemador, pueden disponer de paletas radiales, que producen un
giro en el aire para conseguir la turbulencia deseada a su salida al
hogar.
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Tipos de quemadores
Los quemadores pueden clasificarse de acuerdo a la forma de ingreso
del aire en:
Quemadores con pre-mezcla
Quemadores sin pre-mezcla o de difusión
En ambos casos los quemadores pueden tener alimentación de aire de
forma natural o forzada.
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
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Tipos de quemadores y Tipo de Llama
Las características de la llama está definida por el tipo de quemador y la
forma de ingreso del aire en el mismo.
De acuerdo a la forma en que el combustible y el comburente toman
contacto se identifican:
Llamas de premezcla
Llamas de difusión.
Tanto las llamas de premezcla como las de difusión pueden clasificarse
asimismo, según sea el régimen de escurrimiento del combustible, en
llamas de régimen laminar o de régimen turbulento.
Por último, de acuerdo con la naturaleza de la radiación que emiten, las
llamas pueden clasificarse en llamas claras o llamas luminosas.
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
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Forma de Llama
Para obtener un frente de llama estable, es suficiente que en un punto de
ese frente de llama se produzca la igualdad entre la velocidad de la
mezcla aire-combustible y la velocidad de propagación de la llama. En
estas condiciones, la componente normal de la velocidad de la mezcla
aire-combustible es igual a la velocidad de deflagración del gas
combustible.
El frente de llama que se propaga a través de una mezcla gaseosa
combustible-comburente, lo hace con una velocidad que depende de la
composición de la mezcla, de su temperatura, presión, homogeneidad y
de las formas y dimensiones del recinto donde se desarrolla la
combustión.
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
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Velocidades de
Llama
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
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Llamas de Pre-mezcla
Las llamas de premezcla permiten:
- Lograr temperaturas más elevadas que las conseguidas a través de las
llamas de difusión,
- Alta relación entre el calor liberado y el volumen que ocupa la llama,
-Reducir el espacio destinado al desarrollo del proceso de combustión
- Llamas transparentes.
En general, la radiación emitida se limita al espectro de bandas de los
productos de la combustión completa (CO2 y H2O).
Tienen el inconveniente de su inestabilidad, lo que puede traer aparejado
el despegue o volado del quemador, o el retorno de la llama hacia su
interior.
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
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Quemadores de Pre-mezcla
Quemadores de Bunsen
Quemadores de Pre-mezcla a Presión
Quemadores atmosféricos
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
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Quemadores de Bunsen
El principio esencial sobre el cual se basa este quemador es el de la
mezcla del gas con el aire, obtenida por el aprovechamiento de la
presión de ese gas, en puntos que preceden la zona donde se estabiliza
la llama.
El gas combustible fluye a través del inyector hacia la parte baja del tubo
del quemador en la proximidad de la apertura creada para permitir el
ingreso de aire (denominado aire primario). Por efecto del chorro de gas,
se crea en la zona una depresión que favorece la aspiración de aire y la
posterior mezcla entre el aire primario y el gas combustible en el tubo.
La mezcla aire/gas que circula por el tubo debe tener una velocidad tal
que impida que la llama que se forma en el extremo superior después de
la ignición inicial, penetre en el interior del quemador. El aire que
circunda la llama (denominado aire secundario) completa la combustión.
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
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Quemadores de Bunsen
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
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Quemadores de Pre-Mezcla a Presión
Su flexibilidad es limitada en potencia, por los límites de estabilidad de
la llama (en equipos industriales dificilmente se consigan flexibilidades
superiores a ¼ ), y limitada en tasa de aireación, como consecuencia de
los límites de inflamabilidad.
La potencia de estos quemadores se limita a 200 KW para los de
premezcla total y 500 KW para los de premezcla parcial.
La recuperación también se dificulta por el riesgo de calentar la mezcla.
Tienen elevada intensidad de combustión.
Se consiguen altas temperaturas de llama y potencias específicas del
frente de llama.
Se los utiliza en trabajos que requieren aplicaciones de llama de alta
temperatura o desarrollo puntual de calor.
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
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Quemadores de Pre-Mezcla a Presión
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
Quemador de premezcla total de chorro anular y bloque de refractario
cilíndrico (que ayuda a la estabilización de la llama)
W. Gonzales M.
Quemadores de Pre-Mezcla a Presión
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
Quemador de premezcla, con ensanchamiento brusco en la
descarga, que favorece la estabilización.
W. Gonzales M.
Diagrama de
Funcionamiento de un
Quemador Atmosférico
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
W. Gonzales M.
Quemadores de Difusión
Son aquellos dispositivos utilizados
para los procesos de combustión,
en los cuales el gas combustible y el
aire penetran en la cámara de
combustión en forma separada.
La mezcla se produce por difusión
turbulenta en el espacio previsto
para la combustión.
Los quemadores de difusión dan
llamas largas, poco intensas y de
temperaturas relativamente bajas.
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
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Quemadores de Difusión
Son aquellos dispositivos utilizados
para los procesos de combustión,
en los cuales el gas combustible y el
aire penetran en la cámara de
combustión en forma separada.
La mezcla se produce por difusión
turbulenta en el espacio previsto
para la combustión.
Los quemadores de difusión dan
llamas largas, poco intensas y de
temperaturas relativamente bajas.
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
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Quemadores de Difusión
Las toberas del gas se ubican próximas
al ingreso de la cámara de combustión,
mientras que el aire precalentado
proviene de un conducto lateral.
Variando la inclinación del chorro, es
posible obtener diversas velocidades de
combustión; un ángulo de 45 grados
produce una combustión rápida,
mientras que con el flujo de gas paralelo
al del aire se obtiene una reducción de la
velocidad de la combustión y por lo
tanto una llama larga y luminosa.
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
Quemadores con mezcla en el
hogar, para hornos utilizados en
la industria del vidrio.
W. Gonzales M.
Quemadores de Difusión Las partículas de carbono se vuelven
incandesentes y producen radiación;
cuanto mayor es la concentración de
carbono, mayor es la emisividad de la
llama.
La luminosidad del quemador es función
de la relación volumétrica
entre los dos flujos de aire, del diámetro
del tubo interno y de las longitudes de las
partes internas del quemador.
Una vez estabilizado el mejor valor de
luminosidad, es necesario mantener
constante la relación entre las dos
fracciones de aire al variar la capacidad
del quemador.
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
Quemador a llama larga y
luminosa.
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Quemadores de Difusión
QUEMADORES Y CARACTERISTICAS
DE LLAMA
Quemador con exceso de aire (para llama fria o baja temperatura)
W. Gonzales M.
Cámaras de Combustión en Turbinas
Sistemas de Combustión
CAMARAS DE TIPO “CAN”
CAMARAS DE TIPO “ANULAR”
CAMARAS DE TIPO
“CAN-ANULAR”
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Turbina con Cámara de Combustión Anular
Sistemas de Combustión
Presenta 18 toberas de
inyección de combustible
Sistema de combustión con el
sistema DLE (Dry Low
Emissións de NOx y CO)
Compresor axial de 11 etapas
con relación de compresión de
14,8 : 1
Capacidad de 6 MW para la
industria de Oil&Gas
Dimensiones 5,8 m x 2,5 m
Mantenimiento cada 2 años
Nivel de ruido menor a 85 dB
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