Captulo 1.- El proceso de combustin. OBJETIVO- En esta
asignatura se pasa revista a las definiciones bsicas relacionadas
con la combustin, haciendo especial atencin a las consecuencias de
la calidad de la mezcla combustible/comburente, a la transferencia
de calor y a los diagramas de combustin.
1.1. GeneralidadesLa inmensa mayora de los hornos cermicos se
alimenta con combustibles fsiles o convencionales, ya sean slidos,
lquidos o gaseosos, y que desarrollan su energa por medio de la
combustin. Tan slo una minora funcionan con energa elctrica. En
este contexto, tanto la variedad de hornos como la diversidad de
productos a cocer es prcticamente ilimitada, lo que supone todo un
universo de combinaciones. La figura 1.1 ilustra la vista interna
de un moderno horno tnel de 7,2 m de ancho y con sistema de
quemadores laterales de alta velocidad para la coccin de 600 t/d de
cermica estructural. Figura 1.1: Interior de un horno tnel.
En la figura se pueden observar los diversos quemadores de gas
natural dispuestos al tresbolillo, y que usarn como cmara de
combustin el espacio, en general transversal al eje longitudinal
del horno, existente entre los diversos paquetes de material. Se
entiende por combustin la combinacin de los combustibles clsicos,
basados en carbono e hidrgeno, principalmente con el oxgeno del
aire.A lo largo de este captulo se estudiar, en primer lugar, la
combustin, para posteriormente analizar el tipo de quemador ms
adecuado para la coccin de los diversos productos.
1.2. Definicin de combustinCon el nombre de combustin se designa
toda reaccin qumica que va acompaada de gran desprendimiento de
calor. Sin embargo, la combustin propiamente dicha es una oxidacin
rpida que produce el calor y la temperatura suficientes para que
haya luz, bien sea con llama o sin ella. En el caso de que no
exista llama, la combustin se denomina lenta, como puede ser la
combustin de un cigarrillo. Cuando existe llama, la combustin se
denomina viva, por ejemplo, la de una cerilla, el fuego del carbn
en una caldera, etc. Con el fin de que tenga lugar la combustin,
deben mezclarse combustible y comburente lo ms ntimamente posible
y, debido a que sta en general no es espontnea, tiene que iniciarse
con un punto de ignicin, es decir, con un foco calorfico (aunque
sea pequeo) de elevada temperatura, tal y como ocurre, por ejemplo,
con la chispa de la buja en la mezcla gasolina-aire. Este fenmeno
puede tener lugar de una manera instantnea para cantidades pequeas
o grandes de combustible, como puede suceder en el caso de los
combustibles gaseosos; en este caso se habla de explosin. Por esta
razn, a diferencia de lo que acontece en el motor de explosin, los
combustibles gaseosos no se mezclan con el aire antes de la
combustin, sino que, conducidos adecuadamente por separado, el aire
y el gas, se van mezclando en el mismo momento y durante toda la
reaccin. Tal y como se ha mencionado con anterioridad, la combustin
es tanto ms perfecta cuanto ms fcilmente se mezclan el combustible
y el comburente; por ello, son magnficos combustibles los gases y
los lquidos fcilmente vaporizables, y tambin por la misma razn,
entre otras, se quema hoy da ms carbn pulverizado que en trozos. La
combustin siempre tendr lugar en fase gaseosa, y la llama ser
estable solamente si la temperatura es elevada.Por tanto, antes de
comenzar la reaccin, el combustible debe ser llevado a su
temperatura de inflamacin. En la tabla 1.1 se indican algunas
temperaturas de inflamacin para diversos combustibles.
COMBUSTIBLETEMPERATURA DE INFLAMACIN (C)
Hulla400-500
Lignito250-450
Coque700-750
Petrleo530-580
Gas de gasgeno700-800
Gas de alumbrado700-800
Tabla 1.1. Temperaturas de inflamacin para algunos
combustibles.
Durante la combustin se admite que el hidrgeno y el carbono,
libres del combustible, se combinen para formar hidrocarburos del
tipo del metano y etileno, los cuales pueden reaccionar fcilmente
con el oxgeno del aire, dando lugar a anhdrido carbnico (CO2) y
vapor de agua. Si la combustin es incompleta, algunos gases
combustibles pueden escapar sin arder, por lo que pueden generarse
otros compuestos gaseosos tales como el monxido de carbono (CO) y
los xidos de nitrgeno (NOx). El hecho de que la combustin sea
perfecta, es decir, con ausencia de gases inquemados (CO, NOx,...)
resulta decisivo en el comportamiento de las instalaciones de
combustin. En este sentido, existen una serie de condicionantes
fsicos y otro de carcter qumico. Por ejemplo, la combustin por
combinacin qumica del combustible y del comburente tendr lugar si
se cumplen las siguientes condiciones: - Temperatura suficiente. -
Presencia adecuada de combustible. - Presencia adecuada de
comburente.1.3. La combustin como proceso qumicoAnteriormente se ha
definido la combustin como una oxidacin rpida de la materia
combustible con desprendimiento de calor. As pues se precisa, en
primera instancia, que el combustible a oxidar tenga, al menos, uno
de los tres nicos elementos susceptibles de combinarse con el
oxgeno con liberacin de calor: C (carbono), H (hidrgeno) y S
(azufre). Las reacciones elementales de combustin son:
Los combustibles slidos y lquidos debern pasar por una fase
previa de gasificacin para que se desprendan los voltiles, pues
este tipo de reacciones siempre tienen lugar en fase gaseosa. La
figura 1.2 simboliza la unin de un tomo de carbono con otros dos de
oxgeno1.
Figura 1.2: Unin de un tomo de carbono con dos de oxgeno en una
reaccin de combustin. Tal y como se ha mencionado, otro factor
indispensable es la mezcla ntima y adecuada del combustible (se
entiende los voltiles) y el comburente, que suele ser aire.
Seguidamente, cuando la mezcla es la correcta, se debe proceder a
la ignicin. A partir de este momento, el calor generado permite
mantener un nivel de temperatura que asegura la continuidad de la
reaccin. 1 De hecho, esta reaccin es una excepcin a la regla, ya
que el carbono no se volatiliza a las temperaturas normales de
combustin; sin embargo, se incluye por simplicidad didctica. 1.4.
El mecanismo de la combustinA excepcin de la combustin del carbono,
que es una reaccin heterognea, porque este elemento no se
volatiliza a las temperaturas normales de combustin, las dems
reacciones de combustin transcurren en la fase gaseosa por sucesin
de rpidas reacciones en cadena.
1.4.1. La cmara de combustinEl trmino cmara de combustin se
define cmo el espacio preciso para que se realice la combustin.
Cuando sta se lleva a cabo, debido al gran aumento de temperatura,
el volumen de los humos de combustin se multiplica y es preciso
disear un espacio para que los gases puedan adquirir la velocidad y
presin requeridas. Al describir la cmara de combustin, debe hacerse
en el sentido ms amplio posible: por ello, es necesario incluir
tanto el espacio vaco entre paquetes de carga en los hornos como
las toberas especialmente diseadas para desarrollar la combustin en
su interior. Por lo general se entiende por cmara de combustin de
un quemador aquel espacio donde se desarrolla la llama y se
estabiliza. La figura 1.3 muestra diversas configuraciones en
hormign refractario. A la izquierda, se muestra una cmara para
quemador de alta velocidad, y las otras dos, corresponden a bloques
para quemadores de media o baja velocidad, pero de alta
temperatura.
Figura 1.3: Cmaras de combustin.
1.4.1.1. Cmara de combustin de un quemadorEl espacio necesario
para la combustin est ntimamente relacionado con la forma y
dimensin de la llama, por lo que a la hora de elegir el quemador,
es absolutamente imprescindible tener en cuenta el tipo de cmara.
Las cmaras de combustin ms especiales son las toberas. En la figura
1.4 aparecen, en la parte superior, una de carburo de silicio y
otra de hormign refractario. Desde el punto de vista de
funcionamiento y explotacin del horno, el material en que se hallan
construidas las toberas debe ser muy resistente al choque trmico. A
la puesta en marcha del quemador, en pocos minutos el material pasa
de temperatura ambiente a centenares o miles de grados. La
construccin en hormign prima la resistencia mecnica (un bloque de
paredes gruesas), mientras que las de carburo de silicio ponen
mayor nfasis en la conductividad del material.
Figura 1.4: Cmara de combustin en CSi y en hormign.A las cmaras,
unas veces se les imprime un carcter de elemento protector de la
arquitectura de las paredes de los hornos frente a las altas
temperaturas que puedan desarrollarse. Sin embargo su diseo obedece
ms a razones de estabilidad de llama y conduccin de gases producto
de la combustin en particular las destinadas a los quemadores de
alta velocidad. 1.4.2. La llamaLa llama es la zona o regin en la
que tiene lugar la reaccin de combustin entre el gas combustible y
el gas comburente. Como quiera que la reaccin de combustin va
acompaada de generacin de calor, los gases producidos adquieren
temperaturas elevadas. Esta temperatura provoca que se emita
radiacin en parte luminosa, de ah que una de las afecciones de la
llama sea precisamente la masa de gases incandescentes producidos
por la combustin. En el estudio terico de este proceso se
distinguen dos mecanismos posibles: la deflagracin y la detonacin.
En el primer caso, la reaccin qumica est soportada por ondas
subsnicas, mientras que en el segundo, la reaccin qumica est
soportada por ondas supersnicas. La detonacin es un fenmeno
inusual, o incluso inexistente para ciertos combustibles como el
gas natural. Se denomina frente de llama a la separacin entre el
gas quemado y el gas sin quemar, y es la zona donde tienen lugar
las reacciones principales. El espesor del frente de llama vara
desde menos de 1 mm hasta la totalidad de la cmara de combustin,
segn las condiciones. Este hecho puede originar ciertos problemas
en la coccin de los materiales cermicos. Asimismo, se denomina
propagacin de la llama al desplazamiento del frente de llama a
travs de la masa gaseosa. La velocidad de propagacin depende de la
transmisin de calor entre los gases ya quemados y los inmediatos.
Cuando estos ltimos logran alcanzar la temperatura de ignicin,
comienzan a arder, propagando as la combustin. Si la mezcla
combustible-aire tiene un movimiento global determinado, el frente
de llama se estaciona es una posicin prefijada, siendo necesario
para ello que la velocidad de los gases se iguale a la velocidad de
propagacin de la llama. Es el caso de los quemadores.
1.4.2.1. Condiciones para que se produzca una llamaEs sabido que
para que se pueda producir la combustin, es necesario que el
combustible alcance la temperatura de ignicin. En la prctica, en el
caso de combustibles lquidos, se usa el punto de inflamacin, que es
normalmente de 20 a 60 C inferior a la temperatura de ignicin.
Cuando se alcanza el punto de inflamacin, el combustible empieza a
arder al contacto de su superficie con una llama, pero la combustin
cesa al retirar la llama, ya que el calor desprendido de la zona
inicial no se transmite con suficiente rapidez a las zonas
contiguas, y no se alcanza en ellas la temperatura de ignicin. Una
mezcla combustible-comburente es inflamable cuando puede propagarse
la llama iniciada en uno de sus puntos. La inflamabilidad es funcin
de la velocidad de propagacin de la llama. Dicha velocidad depende
de la conduccin de calor y de la difusin de las partculas activas,
originadas en la combustin, en sentido opuesto al flujo del gas;
sin embargo, no es muy elevada, dado que la conduccin trmica
gaseosa que condiciona los resultados sigue un proceso lento y
puede variar entre unos pocos cm/s (propano-aire) hasta algunos m/s
(mezcla estequiomtrica hidrgeno-oxgeno). La mezcla estequiomtrica
combustible-comburente es siempre inflamable, pues proporciona una
temperatura de llama bastante alta como para calentar las zonas
contiguas hasta la ignicin. Si se diluye la mezcla por adicin de un
componente inerte, la temperatura de la llama descender y llegar un
momento en que ya no habr propagacin, existiendo dos composiciones
lmite de la mezcla que encierran el intervalo de inflamabilidad.
Adems de estos lmites de inflamabilidad, existe un campo de
temperatura de la llama, definido tambin por una temperatura mxima
y otra mnima, coincidentes con los instantes final y de encendido,
respectivamente, a las que pueden encontrarse los gases que
intervienen en la combustin como productos inquemados. Tambin hay
unos lmites que definen el intervalo de presiones dentro del cual
puede existir la llama. Asimismo, se crea el denominado efecto
pared, que impide la existencia de la llama en las proximidades de
las paredes del recinto por la transmisin de calor con stas.
1.4.2.2. Forma y tipos de llamaLa naturaleza de la llama, como
mximo exponente de la combustin, afecta a todos los parmetros de
funcionamiento de un horno. Por otro lado, segn el destino del
horno, es preciso el desarrollo de un tipo u otro de llama. Las
llamas se pueden clasificar por diversos conceptos, entre los que
cabe destacar: - Atendiendo a la mezcla. Las llamas se denominan de
premezcla o de difusin, segn que la aportacin de combustible al
sistema de generacin de la llama se realice previamente, mezclando
ste con mayor o menor cantidad de comburente, o bien en forma pura,
respectivamente. - Atendiendo a la velocidad de mezcla
aire/combustible. Las llamas pueden ser laminares, con baja
velocidad, o turbulentas, con aspecto de torbellino y ruidosas. La
tabla 1.2 resume los diferentes tipos de llama o sistemas de
combustin. MEZCLA COMBUSTIBLE/COMBURENTERGIMEN DE FLUJOEJEMPLOS
PremezclaTurbulento Buja en motor de gasolina
Turbinas de gas de bajo NOx
LaminarLlama plana
Llama Bunsen
Difusin (sin premezcla)Turbulento Combustin de carbn pulverizado
Turbina aeroderivada Motor Diesel
Cohete H2/O2
LaminarFuego forestal Quemadores radiantes
Vela
Tabla 1.2. Tipos de llamas o sistemas de combustin.
La forma de la llama es una de las caractersticas que ms influye
en el proceso de transferencia de calor. Las velocidades relativas
de mezcla de las corrientes de aire y combustible son los factores
que tienen mayor trascendencia sobre la magnitud de la dimensin y
la forma de la llama. En principio, un mayor aumento de la presin
de la mezcla alarga la llama, mientras que si lo que aumenta es el
aire la llama se acorta. El espesor de la llama se reduce a base de
dar una mayor velocidad de salida a los productos de la combustin.
Si la combustin se completa en el interior de la tobera, se alcanza
una elevada temperatura, lo que se traduce en un gran aumento de
volumen y una gran velocidad de salida. La tabla 1.3 reproduce
diversas formas y tipos de llama. Por lo general, en los hornos
cermicos, se usa el primer tipo (con llama mucho mas corta) y el
modelo de alta velocidad, con velocidad mas o menos elevada en
funcin de la ubicacin del quemador en el horno. La tendencia
moderna tiende a la colocacin de numerosos quemadores en lugar de
uno, o pocos, de la misma potencia calorfica global. Si bien este
procedimiento encarece la construccin, tambin evita la produccin de
puntos calientes con los consiguientes problemas de calidad en los
materiales. TIPOS DE LLAMA
AP: Aire primarioAS: Aire secundarioDescripcin de la
llamaRotacin de la llamaRecirculacin de la llamaSistema de entrada
aire/gasCalidad de la mezcla
Convencional Muy dbil Pequea Axial Media
Lanza Poca Debido a AP y AS Velocidad jet AP>AS Media
Bola Considerable Flujo caliente en el interior de la llama
Velocidad jet AS>AP IntensaAlta
Cnica Alta Flujo fro invertido en el interior Velocidad jet
AS>>>AP IntensaAlta
Plana Muy alta Mnima Radial Rpida
Larga y luminosa Ninguna Ninguna Jets aire y gas-laminar
Lenta
Muy luminosa Ninguna Ninguna Velocidad jet combustin de aire
Lenta
Alta velocidad Baja Pequea y exterior Combustin completa en el
interior de la tobera Rpida
Tabla 1.3. Formas y tipos de llamas.
1.4.2.2.1. Llamas de premezclaEn ellas, el combustible se aporta
mezclado con mayor o menor cantidad de aire, que se designa como
aire primario (AP). Si la premezcla contiene todo el aire
necesario, se dice que la premezcla es total, en caso contrario, se
denomina premezcla parcial. En las llamas de premezcla se observa
un cono interno cuya superficie constituye el frente de llama en el
que tiene lugar la reaccin de combustin que implica al aire
primario y al combustible. Si la premezcla es total, la reaccin
acaba ah, en caso contrario, el resto de combustible sigue quemando
en el llamado cono externo, tomando aire (secundario AS) del
exterior por difusin. En general, el cono interno de la llama
-tambin denominado azul- tiene una apariencia azulada, debido a la
presencia de radicales OH; sin embargo, en mezclas con poco aire,
la tonalidad adquiere un color verdoso. Aunque la proporcin de
mezcla gas-aire se halle dentro de los lmites de inflamabilidad, no
siempre se consiguen llamas estables. En efecto, si se aumenta la
velocidad de la mezcla de gases, la llama se separa de la boca de
salida y puede incluso desprenderse y extinguirse. Por el
contrario, si se disminuye la velocidad, la llama puede retroceder
y llegar incluso a prender en el inyector (en un quemador tipo
Bunsen). Las llamas de premezcla se utilizan para quemadores donde
sea posible llevar a cabo la mezcla del combustible y el
comburente, lo que permite un mejor control de la temperatura. Las
llamas de premezcla se utilizan para quemadores donde sea posible
llevar a cabo la mezcla del combustible y el comburente, en los que
se permite un mejor control de la temperatura. La figura 1.5
muestra dos ejemplos de llamas de premezcla.
Figura 1.5: Llamas de premezcla. La figura de la izquierda
corresponde a un equipo de calentamiento tpico de infrarrojos
(llama plana laminar), mientras que la figura de la derecha es un
mechero Bunsen tpico. 1.4.2.2.2. Llamas de difusinA diferencia de
las llamas de premezcla en las que el combustible y el comburente
se mezclan antes de llegar a la zona de la llama, existen sistemas
en los que la fase de mezcla es lenta comparada con la velocidad de
reaccin, con lo que aquel proceso es la etapa controlante. Este
tipo de llamas son las de difusin, en las que el combustible puede
ser un gas o una fase condensada (lquido o slido), y el oxidante
puede ser un gas fluyente o una atmsfera en reposo. La
caracterstica especfica de la llama de difusin es que la velocidad
de combustin est determinada por la velocidad de la mezcla. La
forma del chorro de gas laminar depende slo de la cantidad de aire
suministrado. Si ste fluye en una corona concntrica al chorro de
gas central en exceso a la tasa estequiomtrica, la llama adquiere
una forma cerrada y alargada. Lo mismo sucede si el chorro se
descarga en una atmsfera tranquila. Las llamas se denominan as
sobreventiladas. Si por el contrario, el aire se suministra en
defecto, se forma una llama subventilada en forma de abanico. El
color es un distintivo de las llamas de difusin. En lugar del
violeta o azul-verdoso de las de premezcla, las de difusin gradan
del amarillo brillante al rojo. Este sistema se usa mucho cuando se
emplea comburente precalentado que no puede premezclarse con el
combustible.
Figura 1.6: Llama de difusin laminar.
1.5. El aire en la combustinSe utiliza aire como comburente en
las combustiones por ser la fuente de oxgeno ms abundante, barata y
fcil de manejar. El aire es una mezcla de gases con la composicin
media que indica la tabla 1.4. ELEMENTOSEN PORCENTAJE APRECIABLE (%
Volumen)1EN PEQUEA PROPORCIN. PARTES POR MILLN (ppm.)
Nitrgeno 78'084 0'004
Oxgeno 20'946 0'002
Anhdrido carbnico 0'033 0'001
Argn 0'934 0'001
Nen 18'180 0'040
Helio 5'240 0'004
Kripton 1'140 0'010
Xenn 0'087 0'001
Hidrgeno 0'050 0'001
xidos de nitrgeno 0'500 0'100
1 1% equivale a 104 ppm.
Tabla 1.4. Composicin del aire.
No obstante, segn las circunstancias geogrficas y meteorolgicas,
pueden presentarse trazas de otros compuestos: monxido de carbono,
anhdrido sulfuroso, hidrocarburos ligeros y ozono. Tambin contiene
vapor de agua en mayor o menor proporcin, dependiendo de la presin
baromtrica y temperaturas (hmeda y seca). Adems, localmente puede
contener muchos ms compuestos dependiendo de los equilibrios
lquido-vapor, emisiones de fuentes contaminantes, etc. Para la
mayora de las aplicaciones, carece de sentido realizar los clculos
con las composiciones indicadas anteriormente, ya que se complican
innecesariamente las operaciones. En estos casos, se utiliza la
siguiente composicin aproximada: Nitrgeno: 79% en volumen (77% en
peso) Oxgeno: 21% en volumen (23% en peso) Los clculos basados en
esta composicin nicamente dan lugar a errores apreciables cuando el
combustible contiene una cantidad importante de nitrgeno. Al
observar la composicin del aire, se ve que por cada volumen de
oxgeno aportado se introducen en las condiciones tericas 79/21=
3'76 volmenes de nitrgeno sin poder evitarlo. A este respecto, el
nitrgeno es un elemento inerte y acta de forma negativa "robando"
parte de la energa qumica liberada en la combustin para aumentar su
temperatura.
1.5.1. Tipos de reacciones y clculosTomando el caso del metano
para simplificar, se pueden distinguir 3 tipos bsicos de
combustiones: - Completas: cuando las reacciones estn totalmente
desplazadas hacia la derecha, con independencia del exceso de aire
empleado. En este caso, todos los productos de la combustin estn
oxidados. As pues, en los gases de combustin slo existirn: CO2,
H2O, N2 y cantidades variables de O2. La reaccin tpica ser: Exceso
de aire: CH4+3O2 CO2+2H2O+O2+ D (calor) - Estequiomtricas: son
aquellas combustiones completas que se han llevado a cabo sin
exceso (ni defecto) de aire. Esta condicin es necesaria pero no
suficiente, ya que adems la mezcla combustible-comburente debe ser
total y homognea. En caso contrario, habra zonas en las que las
molculas del combustible no encontraran a las molculas del
comburente. Si se cumplen estas condiciones, obviamente los nicos
productos de la combustin sern: CO2, H2O, N2 y la temperatura
alcanzada ser la mxima. Estequiomtrica: CH4+2O2 CO2+2H2O+ D (calor)
Los clculos elementales de la reaccin estequiomtrica de combustin
para el metano se establecen a partir de la tabla 1.5.
ELEMENTOSCH4O2CO2H2O
Moles1212
Peso16232 = 6444218 = 36
Tabla 1.5. Cantidades estequiomtricas en masa para el
metano.
- Incompletas: son aquellas en que los gases de combustin
contienen compuestos parcialmente oxidados (inquemados) como el
monxido de carbono, combustibles sin oxidar como el hidrgeno,
partculas de carbn, etc. Estas combustiones pueden efectuarse con
exceso o con defecto de aire. Defecto de aire: 2CH4+2O2
CO+CO2+3H2+H2O+ (calor) 1.5.1.1. Clculos en volumenSiguiendo con el
ejemplo del metano, un volumen de gas proporciona un volumen de CO2
y necesita dos volmenes de O2. Como que el % en volumen de O2 en el
aire es del 21%, la cantidad de aire necesaria ser de (2100) / 21 =
9,52. Es decir, un mol de metano -que en condiciones normales ocupa
22,4 l- necesita para arder estequiometricamente 9,52 veces de
aire. O lo que es lo mismo, 1 m3 de metano precisa 9,52 m3 de aire
y da lugar a 1 m3 de CO2. La tabla 1.6 ilustra este caso.
CH4+AireCO2+H2O+N2
1 m39,52 m31 m32 m37,52 m3
Tabla 1.6. Volmenes en reaccin estequiomtrica.
La composicin1 en volumen de los productos de la combustin ser:
CO2: 11,74% N2: 88,26% 1 Lo normal es dar la composicin de los
gases secos, es decir, habiendo deducido el agua, ya que en muchas
ocasiones sta condensa y deja de formar parte de los gases de
emisin. 1.5.1.2. Clculos en pesoTeniendo en cuenta que, en peso, el
porcentaje de O2 en el aire es del 23%, para combinar
estequiomtricamente 1 kg de metano se precisa:
donde "x" son 4 kg de O2 que, en forma de aire, sern: (4100) /
23 = 17,39 kg, y darn lugar a los siguientes productos de la
combustin: CO2
donde "y1" son 2,75 kg de CO2. H2O
donde "y2" son 2,25 kg de H2O. N2 N2 = 17,39 x 0,77 = 13,39 kg
En trminos de emisin, la ecuacin deber escribirse como muestra la
tabla 1.7. CH4+AireCO2+H2O+N2
1 Kg17,39 Kg 2,75 Kg2,25 Kg13,39 Kg
Tabla 1.7. Cantidades msicas en la combustin estequiomtrica del
metano.
Esta cantidad de aire se denomina aire mnimo o estequiomtrico.
En condiciones reales, para conseguir una combustin completa y sin
inquemados, se debe introducir una cantidad mayor de oxgeno que la
estequiomtricamente necesaria con el fin de asegurar una buena
mezcla entre combustible y comburente.Si se precisa un 50% de
exceso de aire, la masa en juego ser la que se muestra en la tabla
1.8. CH4+AireCO2+H2O+N2+Aire en exceso
1 Kg26,09 Kg2,75 Kg2,25 Kg22,09 Kg
Tabla 1.8. Cantidades msicas con exceso de aire.
1.5.2. El exceso de airePara garantizar una adecuada mezcla de
oxgeno y combustible, en la prctica se trabaja con una cantidad de
aire superior a la mnima terica. Una forma de medir la cantidad de
aire que se aade de ms (exceso de aire), se define como: EXCESO DE
AIRE = AIRE REAL - AIRE MNIMO TERICO Aunque tambin se suele emplear
el coeficiente exceso de aire: 1.5.2.1. Consecuencias de trabajar
con exceso de aire.La mayora, por no decir la totalidad de los
hornos cermicos trabajan con exceso de aire. No obstante, ello
conlleva las siguientes consecuencias: 1. Disminucin de la
temperatura de llama. El aumento del exceso de aire implica una
disminucin de la temperatura de llama. Debido a que en los hornos
la transmisin de calor en el hogar se realiza principalmente por
radiacin, y sta es funcin de la cuarta potencia de la temperatura,
el calor radiado disminuye en una proporcin mucho ms importante. 2.
Aumento de las prdidas por chimenea.Al trabajar con mayores excesos
de aire, aumenta la cantidad de calor que escapa al exterior del
horno con los gases de combustin. Adems, al tener que manejar
mayores volmenes de aire y gases, aumentar el consumo de energa
elctrica absorbida en los ventiladores para su vehiculacin.
1.5.3. Determinacin del aire preciso para la combustinEl tcnico,
cuando decide usar un determinado combustible, se pregunta cul ha
de ser la cantidad de aire necesario para oxidarlo correctamente.
Para ello, existen numerosos bacos de uso prctico como el reseado
en la figura 1.7.
Figura 1.7: Diagrama de clculo del aire de combustin Estos
diagramas son tiles para calcular de una forma rpida el aire
preciso para la combustin y/o los gases producto de la reaccin para
un combustible determinado. En el eje de abscisas se muestra el PCI
del combustible, correspondiendo el haz de rectas a los diversos
excesos de aire. Por ejemplo, a partir del PCI de un combustible
slido (5.300 kcal/kg en la figura) y levantando una vertical hasta
la recta de aire mnimo, se obtiene, en la escala de la izquierda,
el aire mnimo preciso para este combustible (Am = 6,0 Nm3/kg). Para
conocer el aire real, habr que multiplicar este valor por el
coeficiente de exceso de aire (en el ejemplo n = 1,6), luego el
aire real de combustin ser: Ar=Am. n=6,0 . 1,6=9,6 Nm3/kg Para
obtener el volumen de gases aproximado de combustin, se prolongar
la vertical hasta alcanzar la lnea de exceso de aire (n = 1,6 en el
ejemplo) y se leer directamente en el eje de ordenadas: Vh = 10,3
Nm3 / kg.
1.5.4. El diagrama de combustinA partir de cada combustible se
construye el diagrama de combustin, que representa todas las
posibilidades de combustin del citado combustible. Resulta una
herramienta muy interesante para conocer el funcionamiento y
desarrollo de la combustin o, en trminos ceramistas, la atmsfera en
el interior del horno. La figura 1.8 muestra el diagrama que
reproduce la combustin de un coque con la siguiente composicin: C
94,2%, H 0,9%, O 3%, N 0,8% y S 1,1%.
Figura 1.8: Diagrama de combustin de un slido. Tal y como se
observa, el eje de ordenadas indica la cantidad de CO2. A este
respecto, los gases de combustin pueden tener un mximo de CO2
proporcionado por la siguiente frmula: ?El eje de abscisas indica
la cantidad de O2 que permanece en los gases de combustin. As, en
el caso de la combustin estequiomtrica (punto E), la cantidad de
CO2 es la mxima, no existe oxgeno libre y la temperatura alcanzada
es tambin la mayor. A partir de la ecuacin anterior, se deduce que
la cantidad mxima de CO2 es del 20,7%. Lgicamente, este valor ser
tanto ms grande cuanto mayor sea la cantidad de carbono del
combustible. En el otro extremo, el punto G (20,7% de O2) supone
una combustin con dilucin de aire infinita (aire ambiente). Uniendo
el punto E con el G por la "lnea de combustin completa", se define
el tringulo de combustin, que proporciona todas las posibilidades
existentes. Cualquier combustin situada sobre esta lnea es completa
(sin inquemados), pero con exceso de aire. Toda combustin por
debajo de esta lnea ser incompleta, es decir, con presencia de
inquemados. Otro punto singular a determinar es el contenido mximo
de oxgeno en los gases de combustin, o punto F. Si sta es
estequiomtrica, la cantidad de oxgeno preciso en volumen ser:
El ltimo quebrado de la ecuacin se sustituira por H/4 si el
combustible no tuviese oxgeno. Ahora bien, cuando no hay exceso de
aire y todo el carbono se oxida a CO, la cantidad mxima de O'2 en
los gases ser:
Para el ejemplo anterior, O'2 = 9,64%. De hecho, esto se produce
en la realidad utilizando aire estequiomtrico y debido, bsicamente,
a problemas de mezcla defectuosa que generan inquemados. La recta
AG que une ambos puntos define las combustiones completas con
exceso de aire. Toda combustin por debajo de la recta AE tiene
inquemados cuyo valor puede leerse en las isolneas paralelas a la
recta de combustin completa. La lnea EF representa la sucesin de
combustiones incompletas con aire estequiomtrico. Esta lnea divide
el diagrama en dos grandes reas: la combustin con exceso de aire
(llamada incineracin si el combustible es slido o lquido), o sea
todas aquellas combustiones que se realizan con exceso de aire, y
las gasificaciones, o aquellas combustiones que se realizan con
defecto de aire. La tabla 1.9 reproduce los parmetros de combustin
ms sobresalientes de los puntos A (combustin completa con exceso de
aire), B (combustin incompleta con exceso de aire) y C (combustin
incompleta con defecto de aire). ABC
O210%5%---
CO210,7%14%13%
CO03%9%
E.A.93%20%---
D.A.------10%
Tabla 1.9. Cantidades de gases segn el diagrama de
combustin.
Un punto situado en la zona de gasificacin, como el C, en la
prctica se consigue a base de trabajar con un defecto de aire
"1-n". As, si la lnea de coeficiente de aire es n = 0.9,
corresponde a un defecto de aire DA = 1-0,9 = 0,1 (un 10% del aire
estequiomtrico). Los gasificadores industriales suelen trabajar con
un defecto de aire del 30%. En las combustiones que tienen lugar en
los hornos industriales son normales situaciones como la A, o sea
puntos situados en la lnea de combustin completa. Con frecuencia,
cuando se altera la relacin combustible/comburente, normalmente
para corregir la temperatura, la posicin correspondiente al punto A
en lugar de desplazarse por encima de esta recta se sita de manera
indeseada o desconocida en un escenario como el B. En este caso, se
generan inquemados que, aunque exista exceso de aire, son difciles
de corregir puesto que con la temperatura generada por la reaccin
se favorece la formacin de CO. El diagrama de la figura 1.9 se
refiere a los gases combustibles generados por un fuelleo n2 con un
poder calorfico de 10,47 Mcal/Nm3. El eje de ordenadas de la
derecha muestra el porcentaje de CO2. Una vez conocido este valor,
es posible calcular las cantidades de inquemados haciendo uso de la
escala de ordenadas de la izquierda.
Figura 1.9: Diagrama de combustin de un combustible lquido. En
buena medida, el eje de ordenadas es tambin un eje de temperaturas.
As, la mxima concentracin de CO2, punto de la reaccin
estequiomtrica, tambin corresponde al de mxima temperatura,
mientras que el punto G supone la temperatura ambiente. El uso de
los diagramas de combustin resulta muy til para conocer el
funcionamiento de las cmaras de combustin, o bien el comportamiento
de los quemadores a medida que vara la relacin
combustible/comburente.
1.5.5. El aire de combustin y el consumo de energa.Se puede
disminuir el consumo de energa asociado a este concepto preservando
los siguientes puntos: - Utilizar la cantidad mnima posible de
aire, que se determinar en funcin del modelo de quemador instalado
y del tipo de horno, con el objeto de minimizar las prdidas de
calor por gases, sin que aparezcan inquemados. - Una vez optimizada
la cantidad de aire a emplear, debe controlarse y regularse
continuamente para evitar que en el transcurso de la explotacin se
produzcan desviaciones respecto al valor fijado.- Precalentar el
aire que se introduce en el generador mediante un intercambio de
calor con los gases de combustin. Al realizar esto, se observan dos
consecuencias positivas:- Aumento de la temperatura de llama, con
lo que aumentar la cantidad de calor radiado para la misma cantidad
de combustible quemado.- Al disminuir la temperatura de los gases
que se envan a la atmsfera como consecuencia de que stos han cedido
calor para precalentar el aire, se reducen las prdidas de calor por
gases.- Finalmente, puede sustituirse parte del aire de combustin
por oxgeno comercial. Esta medida se denomina comnmente como
combustin con aire enriquecido. Al trabajar con este tipo de aire,
aumenta la energa disponible por unidad de volumen de aire y, como
efecto adicional, se produce un incremento de la velocidad de la
llama y se amplan los lmites de la combustin, estabilizndose as
notablemente la reaccin.
1.6. La cintica de la combustinEl ceramista suele prestar
atencin a la combustin por dos motivos principales: - El consumo
energtico, que suele ir asociado a los grandes excesos de aire. -
La calidad de los materiales fabricados. Una atmsfera reductora
conlleva reacciones prematuras, contracciones indeseadas y defectos
en los esmaltes. Por ello, es conveniente conocer el comportamiento
de la combustin desde el punto de vista de la cintica de las
reacciones. 1.6.1. Cintica de las reacciones.Los mecanismos que
tienen lugar durante la combustin son complejos, con formacin de
compuestos intermedios antes de alcanzarse una oxidacin total. Sin
embargo, numerosos autores han sugerido un modelo cintico de
combustin, respondiendo a un sistema simplificado de primer
orden:
resolviendo la ecuacin diferencial, se obtiene: C/Co = exp (-k .
t) donde: A = factor especfico de cada compuesto (s-1). E = energa
de activacin de cada compuesto (cal/mol).R = Constante de los gases
(1,978 cal/mol K).T = temperatura (absoluta). C = concentracin
final al tiempo t.Co = concentracin inicial.t = tiempo de
residencia. La trasposicin prctica de esta ecuacin tiene enorme
trascendencia para el ceramista, puesto que relaciona el tiempo
(denominado tiempo de residencia), con la temperatura y la
posibilidad de generar inquemados. Es interesante el siguiente
ejemplo: Un quemador quema metano a 900 C. Averiguar el tiempo de
residencia preciso para conseguir una destruccin del 99,9%. Datos:
- A = 1,681011 s-1 - E = 52.100 cal/mol De los datos, se deduce K =
29,7 s-1. Si la destruccin exigida es del 99,9%, significa que si
la concentracin inicial es 1 (Co=1), la concentracin final ser de
0,001. Aplicando la segunda expresin: T = 1/K ln Co/C = 0,23 s. O
sea, se precisan 0,23 segundos de tiempo de residencia (que con
frecuencia no se da en los hornos), para que permanezca un 0,1% de
metano, o lo que es lo mismo 1.000 ppm de metano. Esta cantidad es
muy elevada y puede dar origen a problemas de atmsferas reductoras
locales.
1.7. Anlisis de los gases de combustinLa calidad y cantidad de
los gases producto de la combustin recibe el nombre de anlisis de
gases. El anlisis de gases producto de la combustin es una prctica
habitual hoy en da. En la mayor parte de los casos, se realiza para
controlar los parmetros de combustin. As se controlan el monxido de
carbono y el oxgeno. Sin embargo, en otros casos, se persigue la
presencia de inquemados (CO y H2) para evitar una atmsfera oxidante
y reducir la valencia de un xido con el consiguiente cambio de
color (caso del Fe3O2 a FeO). En los hornos para la coccin de
cermica es muy importante controlar la calidad de la atmsfera.
Sabido es que la presencia incontrolada de gases inquemados,
principalmente CO y H2, de fuerte carcter reductor, pueden ejercer
una accin funesta sobre el desarrollo del cuerpo cermico. Los gases
reductores tienen un gran poder de penetracin y desencadenan
reacciones que conducen a la formacin prematura de fase amorfa,
vidrio, que suele provocar una deformacin anormal de la pieza, o
bien una alteracin en el color del esmalte. El grfico de la figura
1.10 ilustra las diversas posibilidades de combustin de un gas
natural de composicin: 83% de CH4 y 16% de C2H6, originadas por la
variacin de la relacin combustible-comburente y su dependencia con
los gases formados. El eje de ordenadas indica la composicin de los
gases producto de la combustin en porcentaje sobre el volumen de
gases secos. En abscisas, se indican los valores de los excesos o
defectos de aire en porcentaje sobre el estequiomtrico (100%),
mientras que en la lnea inferior se expone el correspondiente ratio
equivalente (estequiomtrico = 1).
Figura 1.10: Diagrama de combustin del gas natural. En la
figura, las lneas a puntos representan los valores tericos de
anlisis de gases para defectos muy importantes de aire. Las lneas a
trazo continuo indican la tendencia de los componentes para
combustiones con excesos de aire.
1.7.1. Eficacia de la combustin.La qumica elemental ensea que
cuando se oxida un combustible gaseoso con exceso de aire, por
ejemplo, el gas natural, los productos de la combustin resultantes
son, exclusivamente, CO2 y H2O. La realidad demuestra que eso es
verdad en una minora de los casos, de ah la necesidad de introducir
el concepto de eficacia de la combustin. Adems, la presencia de
gases inquemados, generados en la inmensa mayora de las reacciones,
tienen efectos directos en la calidad de los productos cermicos.
Por ejemplo, el CO y el H2, son gases reductores y afectan al
desarrollo de las reacciones cermicas. Muchas legislaciones fijan
el valor mximo de CO en las emisiones. Ello supone que conociendo
el tipo de combustible, del cul depende la cantidad de CO2, queda
fijada la eficacia de la combustin que debe lograrse. Como que los
lmites de emisin hacen referencia a las partes de CO por m3 de gas,
para poder llegar a tales cifras muchos sistemas de conversin
energtica se ven obligados a usar grandes excesos de aire. Se
define la eficacia de la combustin (CE) como el resultado de:
La figura 1.11 reproduce la cantidad de CO en funcin de la
eficacia de la combustin (CE) y el porcentaje de CO2 en los gases
de emisin.
Figura 1.11: Evolucin de la eficacia de la combustin en funcin
del CO2. En los procesos industriales, es difcil conseguir una
combustin completa o sin la presencia de inquemados. Durante el
proceso de combustin se presentan oscilaciones de la temperatura
que es preciso corregir de una manera constante. Esta correccin
suele llevarse a cabo por medio de la cantidad de aire. Cuando la
masa de comburente vara, la hidrodinmica de la mezcla se altera y
las probabilidades de que aparezcan inquemados, aunque sea de forma
instantnea, es muy grande. De hecho, esta contingencia ya la prev
el diagrama de combustin, donde la posibilidad de tener inquemados
es muy elevada. A este respecto, los inquemados ms habituales que
aparecen producto de las reacciones son el monxido de carbono (CO)
y lo xidos de nitrgeno (NOx). 1.7.1.1. El monxido de carbono (CO)Se
trata de un gas venenoso, cuya ecuacin de formacin:
indica, suponiendo que la mezcla sea correcta, que: Cuanto ms
carbono este presente en el combustible, mayor potencial de
formacin de CO. La produccin de CO disminuye con el incremento del
exceso de aire. La produccin de CO aumenta con el incremento de la
temperatura.Si bien desde el punto de vista tcnico una CE=99%, es
un buen resultado, transponiendo este valor a la ecuacin anterior
resulta que para un 9% de CO2 corresponde un 0,0909% de CO, o sea
909 ppm de CO, valor inaceptable desde la ptica cermica y, tambin,
medioambiental. En efecto, tngase en cuenta que la oxidacin del CO
a CO2 a alta temperatura, se desplaza hacia la formacin de CO con
independencia de la presencia de oxgeno. Esto significa que, una
vez generado el CO, va a permanecer en la atmsfera del horno a
elevada temperatura que es, precisamente, donde tienen lugar las
reacciones tpicas de la cermica. La figura 1.12 indica la evolucin
del CO en funcin de la cantidad de CO2, para una eficacia de la
combustin del 99%. Ntese que la relacin entre la cantidad de CO y
CO2 es lineal para un CE constante y, por consiguiente, cuando
aumenta o disminuye la cantidad de CO2, tambin aumenta o disminuye
linealmente la cantidad de CO.
Figura 1.12: Evolucin del CO en funcin de la cantidad de CO2,
para una eficacia de la combustin del 99%. De la relacin anterior
se deduce, as mismo, que para mantener constante la cantidad de CO
hace falta aumentar la cantidad de CO2 y el coeficiente de
eficacia. Por otra parte, para tener constante la cantidad de CO2
es necesario aumentar el coeficiente de eficacia y disminuir la
cantidad de CO. La transposicin industrial de todo ello pasa por la
preparacin del combustible y el sistema de combustin.
1.7.1.2. Los xidos de nitrgeno (NOX)Los xidos de nitrgeno se
generan en la combustin a partir del nitrgeno del aire (NOX de
origen trmico); no obstante, tambin hay una parte procedente del
nitrgeno contenido en el combustible, si bien en las materias
primas cermicas esto no es frecuente. La figura 1.13 muestra que la
destruccin o generacin, depende del exceso de aire y de la
temperatura de combustin segn la siguiente ley: - A mayor exceso de
aire, mayor presencia de N2. - A mayor temperatura, mayor formacin
de NOX.
Figura 1.13: Generacin de NOX.
1.7.1.3. Los productos de la combustin.Avanzando un poco ms en
el fenmeno de la combustin, hay que hacer notar que siempre se
habla del porcentaje de CO2 mximo. Tal y como se ver ms adelante,
hay una interaccin directa entre exceso de aire (el exceso cero
corresponde a la combustin estequiomtrica) y la cantidad de CO2.
As, a mayor exceso de aire, ms O2, y la cantidad de CO2 disminuye.
Ello puede inducir a una errnea conclusin que hay que aclarar de
inmediato: 1. La quema de una de determinada cantidad de materia
carbonosa producir siempre la misma cantidad de CO2, con
independencia del exceso de aire. 2. A medida que se aumenta el
exceso de aire, y por tanto la cantidad de O2, es obvio que las
posibilidades de reaccin son ms grandes. Pero ello slo ser cierto
si se cumplen toda una serie de requisitos que ms adelante se
estudiar. Con mucha frecuencia un gran exceso de aire produce gran
cantidad de gases inquemados debido a problemas de mezcla. 3. Lo
que es incuestionable es que, al incrementar la aportacin de O2 la
cantidad de N2 se aumenta cuatro veces ms (la proporcin de N2 en el
aire es del 78%) y por tanto la masa a calentar ser mucho mayor. La
consecuencia es inmediata: se precisar ms calor y el combustible va
a producir ms CO2 (slo para aumentar la temperatura de la masa de
aire excedentaria). As pues, la mnima cantidad de CO2 se producir,
paradjicamente, cuando la cantidad de CO2 en los humos de combustin
sea mxima, ya que el exceso de aire es mnimo y el ahorro de
combustible es mximo.
Captulo 2.- Los combustibles.
2.1. Definicin de combustible.De un modo amplio y general, se
denominan combustibles aquellos cuerpos que arden, es decir, que se
combinan con el oxgeno, reservndose para ste (o el aire) el nombre
de comburente. Sin embargo, actualmente, y desde un punto de vista
ms riguroso y ms cientfico, los conceptos de combustin, combustible
y comburente abarcan un campo ms amplio; por ejemplo, la variada y
no bien conocida serie de combustibles slidos y lquidos especiales
empleados en astronutica. En la industria qumica inorgnica, la
reaccin entre el cloro y el hidrgeno gaseosos para formar cido
clorhdrico, es una reaccin que tiene lugar con gran desprendimiento
de calor, alta temperatura y formacin de llama, tratndose por tanto
de una combustin, lo cual no quiere decir que se considere como tal
tcnicamente, porque actualmente tales combustiones resultaran
inaceptables por anti-econmicas, y por producir gases (ClH)
inadmisibles para su emisin a la atmsfera. Tambin se habla de los
"combustibles nucleares", simplemente porque son sustancias capaces
de generar gran cantidad de calor y, en tal sentido, se emplean,
aunque disten mucho de parecerse a los combustibles clsicos. Al ser
la llama un gas incandescente, ardern siempre con llama los
combustibles gaseosos. En cuanto a los lquidos, stos se
volatilizarn debido al calor y a la elevada temperatura de la
combustin, inflamndose y ardiendo como los gases. En referencia a
los combustibles slidos, ardern con llama aquellos que produzcan
por descomposicin (destilacin seca) suficientes compuestos
voltiles, como sucede con las hullas grasas, la madera, etc. En
cambio, el coque arde prcticamente sin llama, debido a la casi
total ausencia de compuestos voltiles.
2.2. Transformaciones del combustibleCon el fin que tenga lugar
la combustin, se requiere que el combustible est a una determinada
temperatura y, a ser posible, en estado gaseoso. Para conseguir la
combustin en los casos en que sta no es espontnea se requiere
aportar calor. Por lo general, los gases calientes producto de la
combustin ceden parte de su calor sensible para que el combustible,
y comburente, absorban calor y eleven su temperatura.
2.2.1. El calor sensible.El calor sensible es el calor absorbido
(o cedido) por una sustancia para elevar (o disminuir) su
temperatura, siempre y cuando en el transcurso del calentamiento (o
enfriamiento) no se hayan producido ni cambios de estado ni
reacciones qumicas. El calor sensible se puede determinar a travs
de la frmula: Qs = m Cpm DT donde: Qs = calor sensible. m = masa de
la sustancia. Cpm = calor especfico medio entre la temperatura
inicial y la final.DT = diferencia entre la temperatura inicial y
la final. El calor sensible influye en los siguientes papeles del
cambio de estado: - Hace posible el cambio de estado en aquellos
casos en que ste se produce a una temperatura fija. - Controla las
condiciones y la cuanta en la que el cambio de estado se produce.
Por ejemplo, en la vaporizacin, conjuntamente con la presin, fija
el grado de vaporizacin. El calor sensible influye tambin en dos
aspectos muy importantes de las reacciones qumicas: - Aporta energa
de activacin, necesaria para que se inicien las reacciones. De
hecho, para que se inicien toda clase de reacciones cermicas es
preciso alcanzar un determinado nivel trmico. - Controla muy
directamente la cintica de las reacciones. Un ejemplo de la
recuperacin del calor sensible contenido en los gases de combustin
se presenta en los hornos de proceso continuo de la figura 2.1. En
los hornos tneles cermicos, la zona de enfriamiento viene a
representar entre 1/3 y las 2/5 partes de la longitud total del
tnel. La recuperacin del calor sensible se efecta en este caso
mediante aire que circula en contracorriente con las piezas ya
cocidas. El aire as calentado se destina a dos fines, como aire
secundario de combustin y como aire caliente que se emplea en los
secadores.
Figura 2.1: Horno tnel.
2.2.2. El calor latenteEl calor latente es el calor absorbido (o
cedido) por una sustancia cuando se produce un cambio de estado en
la misma. Bajo la denominacin de cambio de estado se entienden
diferentes conceptos: - Vaporizacin (paso de lquido a vapor, total
o parcial). En los hornos cermicos esto tiene lugar cuando se
evapora el agua residual procedente del secado incompleto. - Fusin
(paso de slido a lquido). Es un proceso tpico de los esmaltes.
Desde el punto de vista energtico no tiene ninguna relevancia.-
Sublimacin (paso de slido a vapor o gas). Muy raramente se da en el
campo cermico.- Transformaciones cristalinas. Como la que tiene
lugar en el cambio alotrpico del cuarzo a a b a cierta
temperatura.- Descomposicin de carbonatos y sulfatos. Se puede
determinar el calor latente a partir de la frmula: QL = m cL donde:
QL = calor latente. m = masa de la sustancia. cL = calor unitario
asociado al cambio de estado. En determinados casos, el clculo del
calor latente asociado al cambio de estado se complica puesto que
adems de determinar cL, que es funcin de la temperatura, presin,
etc., hay que determinar la composicin y cantidad de sustancia que
cambia de estado. Los calores latentes de cambio de estado tambin
presentan la caracterstica de ser reversibles en gran medida. Es
decir, en determinados procesos tambin se puede recuperar la energa
aportada para el cambio de estado. Habitualmente estos procesos se
realizan mediante intercambio de calor con la propia carga
alimentada al horno o en otros puntos del proceso.
2.2.3. El calor de reaccin.El calor de reaccin mide las
variaciones de contenido energtico de los productos que reaccionan
y la de los resultantes de la reaccin. Estas variaciones, segn sean
positivas o negativas, dividen las reacciones en dos tipos: -
Reacciones endotrmicas: En ellas, el contenido energtico de los
productos resultantes de la reaccin es superior a la de los
productos que reaccionan y, por tanto, requieren una aportacin de
energa exterior al sistema que no puede recuperarse. Un caso tpico
es la descomposicin del retculo cristalino del mineral de arcilla
con desprendimiento de agua que, a este nivel de temperatura (unos
600 C), forma vapor instantneamente.- Reacciones exotrmicas:El
contenido energtico de los productos que reaccionan supera al de
los productos resultantes de la reaccin, liberndose una cantidad de
energa en el transcurso de la reaccin que puede aprovecharse. Un
caso particular de estas reacciones lo constituye la combustin de
la fraccin orgnica que contienen algunas arcillas.
2.3. El poder calorfico y la temperatura de llamaTal y como se
ha mencionado con anterioridad, en trminos generales, reciben el
nombre de combustibles aquellos cuerpos que al combinarse con el
oxgeno desprenden calor. La calidad de un combustible viene dada,
ms que por la mayor facilidad o dificultad en arder, por la
cantidad de energa que contiene y puede liberar cuando se somete a
un proceso de conversin energtico. Esta cantidad de calor referida
a la unidad de masa, en el caso de los combustibles gaseosos, se
suele referir a la unidad de volumen, y se denomina poder o
potencia calorfica. El poder calorfico de un combustible es la
cantidad de energa (kcal) que produce la combustin de 1 kg del
mismo. El poder calorfico superior (PCS) es el calor que desprende
1 kg de combustible completamente seco, contando con el calor
latente de vaporizacin del agua formada por la combustin del
hidrgeno (si lo hay). En los procesos industriales no se aprovecha
el calor de condensacin del vapor, puesto que los gases se evacan a
una temperatura superior a la del punto de roco. De ah que en la
prctica se use el poder calorfico inferior (PCI). Obviamente, en
los combustibles exentos de hidrgeno el PCS y el PCI coinciden. Si
el combustible esta hmedo (h porcentaje de agua) interviene el
concepto de poder calorfico inferior til (PCIu) que,
aproximadamente, vale: (PCIu) = (PCI) (1-h) - 600 (h)
Adems de tener un determinado PCI, el combustible debe presentar
un elevado estado de subdivisin, con el fin de que la superficie
especfica sea la mayor posible.
2.3.1. Combustibles slidos.Existen un sinfn de expresiones
experimentales que determinan el PCI a partir del anlisis
elemental, y se basan en que el calor desprendido por un
combustible es igual a la suma de los calores generados por los
elementos elementales que lo componen, restando el posible hidrgeno
consumido por el oxgeno. Una expresin que proporciona un PCI con
notable aproximacin es:
2.3.2. Combustibles lquidos.Partiendo del anlisis elemental de
un combustible lquido derivado del petrleo, se puede calcular el
poder calorfico inferior por medio de la frmula: PCI = 12.125 - 292
(C/H) - 7.000 (S) donde (C/H) es la relacin ponderal del carbono a
hidrgeno y (S) es el contenido en azufre en tanto por uno. En estos
combustibles, la densidad es una funcin de esta relacin: d = 0,25 +
0,0913 (C/H) (g/cm3) luego la relacin anterior se puede escribir
como: PCI = 12.925 - 3.198 d - 7.000 (S) Para los combustibles
lquidos ms habituales, estos valores son los mostrados en la tabla
2.1. COMBUSTIBLEPCS (kcal/kg)PCI (kcal/kg)
Gasoil10.300
Fuel-oil n 110.2009.700
Fuel-oil n 210.0009.500
Tabla 2.1. Poder calorfico de combustibles lquidos.
2.3.3. Combustibles gaseososEn el caso de los combustibles
gaseosos, el poder calorfico suele expresarse en unidades de
volumen, tal y como indica la tabla 2.2. GAS COMBUSTIBLEFOR.PM
(g/mol)l/g (*)kg/m3kcal/kg (PCS)kcal/m3
HidrgenoH211,20,089333.9103.027
MetanoCH4161,400,71413.2809.485
EtanoC2H6300,751,33312.41016.546
PropanoC3H8440,5091,96412.04023.650
ButanoC4H10580,3862,58911.84030.657
Gas natural (tipo)1--1,300,7713.14910.125
Monxido carbonoCO280,801,2502.4143.017
1 El gas natural es una mezcla de gases combustibles, por lo que
no debera aparecer en esta tabla. Sin embargo, se ha puesto por
motivos didcticos. (*) Se obtiene dividiendo 22,4 l/mol por el peso
molecular g/mol.
Tabla 2.2. Poder calorfico de los combustibles gaseosos.
La temperatura terica (aproximada) de llama viene definida por
la frmula siguiente:
donde (n) es el coeficiente de exceso de aire. El aumento del
exceso de aire (n) implica una disminucin de la temperatura de
llama. En la prctica industrial, el clculo de la temperatura de
llama no tiene sentido, ya que lo que realmente interesa es que la
llama irradie a las paredes, bveda y a la propia carga o
combustible. El factor que realmente afecta a la temperatura real
de llama es el exceso de aire. Como se ilustra en la figura 2.2, se
puede obtener, en teora, la misma temperatura de combustin con
independencia del poder calorfico. O dicho de otra manera: no
existe, a priori, una relacin entre la temperatura de llama y el
PCI. Otro problema ser el exceso de aire que sea preciso para
llevar a cabo el proceso segn la naturaleza del combustible y,
sobre todo, el tipo de instalacin usada. As, un mismo combustible
que sea quemado en un horno convencional de parrillas precisar
mucho ms aire que cuando el mismo tratamiento se lleve a cabo en un
horno de lecho fluidizado.
Figura 2.2: PCS y temperatura de llama. La tabla 2.3 muestra los
valores de los poderes calorficos de combustibles habituales en la
industria cermica. COMBUSTIBLEPCS (kcal/kg)PCI (kcal/kg)PCS
(kcal/Nm3)PCI (kcal/Nm3)
Hulla grasa7.3007.100
Antracita7.3007.045
Lignito5.1004.820
Carbn de madera8.0507.910
Fuel-oil ligero10.3009.695
Gasleo10.83510.130
Madera4.4504.130
Paja (forraje)3.100
Turba4.7504.520
COMBUSTIBLEPCS (kcal/kg)PCI (kcal/kg)PCS (kcal/Nm3)PCI
(kcal/Nm3)
Bagazo (hmedo)2.500
Cscara de cacahuete4.250
Aserrn3.5003.120
Papel4.300
Trapos y algodn3.600
Residuos slidos urbanos (Espaa)1.800
Gas natural (tipo)12.73811.05610.7009.665
Gas de alto horno752737970950
Gas de gasgeno1.3901.3051.5301.435
Gas de hulla--5.1174.539
Gas de refinera12.48011.44219.34517.735
Propano puro12.09011.13024.30022.370
Butano puro12.15811.23031.61029.200
Butano industrial12.14811.22031.10028.725
Acetileno11.95511.54714.06013.580
Hidrgeno34.20028.8003.0502.570
Tabla 2.3. Poderes calorficos de algunos combustibles.
El poder calorfico es la propiedad fundamental de los
combustibles. Precisamente, dicha propiedad permite expresar las
cantidades de energa en unidades equivalentes de combustible. A
este respecto, la tabla 2.4 muestra una relacin de distintas
unidades energticas, expresando su equivalencia en julios.
SMBOLOUNIDADFACTOR DE CONVERSIN kJ
tepTonelada equivalente de petrleo4,4107
m3 de petrleoMetro cbico de petrleo 3,7107
tecTonelada equivalente de carbn 2,9107
bblBarril equivalente de petrleo 5,9106
tetTonelada equivalente de trilita 4,2106
therm100.000 BTU 1,055105
m3 g. n.Metro cbico equivalente de gas natural 3,7104
termia1.000 kcal 4,187103
kWhKilowattio-hora 3,6103
HP-hCaballo de vapor-hora 2,648103
cfPie cbico equivalente de gas natural 1,05103
MJMegajulio 1,00103
kcalKilocalora 4'187
BTUBritish thermal unit 1'055
Tabla 2.4. Unidades energticas habituales y su equivalencia en
kilojulios (kJ).
2.4. Anlisis elemental e inmediato de un combustible.
2.4.1. El anlisis elemental.El anlisis elemental trata de
determinar el contenido de elementos simples de un combustible,
pero solamente aquellos que se gasificarn y/o supondrn un aporte
calorfico en las reacciones de combustin. As, para los
combustibles, el anlisis elemental incluye el porcentaje en peso de
C, H, S, N, cenizas, humedad (prdida de peso a 105 C, para
combustibles slidos) y agua combinada (equivalencia de oxgeno).
Asimismo, se deben analizar otros elementos que puedan influir en
el proceso de combustin o puedan representar problemticos en cuanto
a las emisiones (como los metales). El carbono puede proceder tanto
de las materias orgnicas como de los carbonatos minerales
presentes. A este respecto, el carbono fijo es el que no destila
cuando se calienta un combustible. El azufre puede proceder de los
compuestos sulfurados orgnicos, la pirita o marcasita y de sulfatos
inorgnicos. Da lugar a escorias perjudiciales y forma xidos muy
contaminantes. El nitrgeno no aporta energa alguna. Si la cantidad
es importante y la temperatura de proceso elevada, contribuye a la
formacin de NOX de origen trmico. La cantidad de oxgeno presente en
los combustible reduce el poder calorfico, sin embargo, contribuye
a reducir las necesidades de aire de combustin. A partir de este
anlisis existen diversas frmulas, como la de Dulong, que permiten
aproximarse al PCI. La frmula se basa en que el calor generado por
el combustible es igual a la suma de los calores desprendidos por
los elementos combustibles simples que lo componen, restando el
posible hidrgeno consumido por el oxgeno (tambin posible) del
propio combustible, para formar agua.
2.4.2. Anlisis inmediatoEl anlisis inmediato determina parmetros
que afectan tanto a la combustin como a la pirlisis: - La humedad
(calentamiento hasta 105 C). - El contenido en voltiles
(calentamiento durante 7 minutos a 950 C). - El residuo que
permanece a esta temperatura constituyen las cenizas. - El carbono
fijo. El agua se halla siempre presente en los combustibles, en
particular cuando se trata de combustibles de naturaleza residual.
Es conveniente distinguir entre las diversas clases de agua: el
agua superficial o de imbibicin se elimina fcilmente con un secado
a 105 C. En algunos combustibles, como el carbn, existe un agua
contenida en los poros que no se evapora a esta temperatura y para
eliminarla se debe calentar en atmsfera de nitrgeno hasta 200 C
para evitar la combustin. Se debe considerar una tercera calidad de
agua, la de constitucin que forma parte de las estructuras
cristalinas de los diferentes elementos que forman parte de los
combustibles, cuya temperatura de eliminacin depende de la
naturaleza de cada componente. Las materias voltiles estn
constituidas por combinaciones de carbono, hidrgeno y otros
elementos. El contenido en voltiles da una idea de la longitud de
la llama, en el caso de que el destino del combustible sea la
incineracin. Desde el punto de vista del poder calorfico es preciso
saber que no todos los voltiles aportan energa. La ceniza esta
constituida, esencialmente, por los restos de la roca madre en la
que se halla el combustible o, en el caso de los combustibles
alternativos, los materiales inertes que contiene. Las cenizas
reducen el poder calorfico y su extraccin siempre resulta costosa y
complicada. Se designa como carbono fijo la fraccin residual de
carbono, descontadas las cenizas, pirolizado para obtener las
materias voltiles. Se determina por diferencia segn: Carbono fijo =
100 - Humedad - Materias voltiles - Cenizas Para un combustible
constituido por maderas procedentes de derribo, los datos de
partida seran las indicadas en la tabla 2.5. A. INMEDIATOA.
ELEMENTAL (b.h.)A. ELEMENTAL (b.s.)
Humedad 4,75% --
C. fijo 17,41% --
Voltiles 74,84% --
Cenizas 3,0% --
-C 45,58% C 49,41%
-H 5,89% H 6,38%
-N 2,22% N 2,40%
-S 0,0 S 0,0
-O 38,56% O 41,79%
-Humedad 4,75% -
-Cenizas 3,00% -
TOTAL 100,00% 100,00% 100,00%
Tabla 2.5. Anlisis inmediato y elemental de una madera.
El PCI de este combustible calculado de acuerdo con la expresin
anterior resultara ser de 4.289 kcal/kg. Existen otras frmulas
basadas en el porcentaje de voltiles, como la que determina la
cantidad de voltiles a partir del anlisis elemental: % M.V. = 10,61
(%H) - 1,24 (%C) + 84,15 Sin embargo, hoy en da es mas prctico, y
barato, determinar experimentalmente el PCI del combustible.
2.5. Naturaleza del combustible.En la ciencia cermica se usan
todo tipo de combustible: slidos, lquidos y gaseosos. Es obvio que
la combustin de cada uno de ellos comporta una problemtica
particular que se ver relacionada con el tipo de material a cocer y
con la clase de horno a utilizar. Hay que tener presente que todas
las reacciones de combustin tienen lugar entre gases. As en el caso
de los combustibles slidos y lquidos es preciso una previa
vaporizacin, destilacin y gasificacin para que los voltiles
generados se combinen con el oxgeno del aire.
2.5.1. Combustibles slidosLos fenmenos que caracterizan el
proceso de la combustin de un combustible son mltiples y variados.
En el caso de la combustin de un combustible slido, que es la ms
compleja, basta con citar las principales etapas del proceso para
comprender su magnitud: a) Mezcla del combustible con el comburente
y su entrada en el hogar. Ello implica un determinado movimiento de
cada partcula arrastrada por la fase gaseosa. En esta primera fase
se debe completar la evaporacin de la humedad residual del
combustible, segn: H2O (l) H2O (g)b) Volatilizacin, parcial o
total, del combustible. La presencia de dos fases, una slida
(combustible y cenizas) y otra gaseosa (comburente y gases) junto a
la aerodinmica de los flujos complica el proceso que, en el caso
del carbn es:Combustible (carbn) V (CnHmSpOq)Para que la
volatilizacin se lleve a cabo de manera regular y homognea, el
hogar debe disponer de una temperatura que asegure una continuidad
del proceso. De ah que, en muchas ocasiones, la volatilizacin sea
slo parcial. c) Combustin de los gases volatilizados (V) y de la
materia carbonosa residual (coque). En cuanto a los voltiles, las
fases homogneas son las ms importantes y las expresiones genricas
son:CnHmSpOq + O2 x CO2 + y H2O + SO2CO + O2 CO2 + 5.640 kcal/kgEn
cuanto al residuo carbonoso, la oxidacin se puede producir tanto a
partir del CO2 como del oxgeno, segn: CO2 + C 2 CO O2 + C CO +
2.440 kcal/kg De este tipo son las reacciones que tienen lugar en
las inmediaciones de las parrillas de los hornos. Cuando el
combustible a quemar es un residuo que contiene determinados
compuestos txicos se comprende que el problema se complica en gran
manera pues en primer lugar debe garantizarse la completa
volatilizacin de toda la materia orgnica, en segundo lugar ha de
producirse una correcta combustin de la fase gaseosa y, a partir de
este momento se deben garantizar la temperatura y el tiempo de
residencia de los gases que exige el residuo en cuestin para
garantizar una calidad de la destruccin trmica mnimo del 99,99%. La
figura 2.3 muestra el tiempo necesario para la combustin de un
coque en funcin de su distribucin granulomtrica.
Figura 2.3: Tiempo de combustin de un combustible slido.
2.5.1.1. Velocidad de combustin de los combustibles slidos.La
figura 2.4 muestra la variacin de la velocidad de combustin de un
carbn con la temperatura y con la velocidad del aire. Como se puede
observar, la velocidad de combustin tiende a estabilizarse a altas
temperaturas si la velocidad del aire es baja.
Figura 2.4: Velocidad de combustin de slidos. La figura 2.5
ilustra un esquema de mezcla de chorros de carbn con aire y gas de
recirculacin, en una cmara de combustin de carbn pulverizado. El
aire secundario se utiliza para completar la combustin de los gases
de recirculacin, y la turbulencia se genera para favorecer el
contacto entre combustible y comburente y facilitar la transmisin
de calor.
AP= Aire primario; AS= Aire secundario; GR= Gas de recirculacin;
F= Llama. Figura 2.5: Circulacin de chorros de carbn. Con todo lo
comentado no es extrao observar, en la superficie de las piezas a
la salida del horno, restos de partculas slidas sin quemar.
2.5.2. Combustibles lquidosPara combustionar correctamente los
lquidos, hay que inyectarlos de manera que formen gotas diminutas,
operacin que recibe el nombre de atomizacin. Ello, junto con el
PCI, es quizs el factor ms decisivo para evaluar la efectividad de
la combustin. Evidentemente, el primer paso es conseguir la
atomizacin para lograr la evaporacin. sta depende, por orden de
importancia, del tamao de la gota, de las caractersticas
fisicoqumicas del producto y, finalmente, de la presin y
temperatura reinante. Por ejemplo, para una gota de 0,5 mm de
dimetro se precisan 0,76 s para su evaporacin, mientras que si el
tamao es de 0,1 mm, el tiempo se reduce a 0,03 s, o sea, una
disminucin de 5 veces el dimetro reduce el tiempo de evaporacin en
25 veces. En realidad, el tiempo de evaporacin, como ya se ha
indicado, depende de la superficie. La expresin, aproximada, que
liga el dimetro inicial de una gota, (D) con un dimetro final (d),
en funcin de un ratio de evaporacin (S) que, en la prctica suele
oscilar de 0,2 a 1,3 mm2/s, es:
Dada la significacin que para una correcta combustin tiene el
tamao de gota, los fabricantes de equipos de combustin facilitan
informacin de la distribucin granulomtrica posible del tamao de
gota en funcin del tipo de lquido, as como de parmetros tan
importantes de funcionamiento como la presin y la calidad de la
atomizacin.
2.5.2.1. La atomizacin de los combustibles lquidosPara conseguir
la correcta combustin de los combustibles lquidos, se debe procurar
lograr el mximo estado de subdivisin o aumento de la superficie
especfica. La figura 2.6 muestra el modelo de aumento de la
superficie especfica en funcin del tamao de la gota de lquido.
Figura 2.6: Modelo de atomizacin de un combustible lquido. En
estas circunstancias, cuando la temperatura del medio es la
adecuada, se segrega la humedad, que es evaporada y, seguidamente,
se inicia la volatilizacin. Como que esta propiedad depende de la
superficie, se comprende que el fenmeno ser tanto ms homogneo
cuanto mayor sea el estado de atomizacin. Esta etapa es
imprescindible para la fase siguiente: la combustin. Las molculas
tpicas de fuel-oil son: C11H23 y C12H26. sta ltima necesita 25
molculas de O2 para conseguir la combustin perfecta. La
probabilidad de que una molcula de fuel-oil atrape a 25 de oxgeno,
simultneamente con la temperatura de ignicin, es casi nula. De
hecho, slo tropieza con una o dos. El calor reinante en el hogar
consigue craquear las molculas de cadena larga y, a partir de
molculas ms sencillas, la posibilidad de combinacin con el oxgeno
aumenta considerablemente. La misin de los quemadores consiste en
lograr muchas gotas y de pequeo tamao (pulverizacin) para que la
superficie expuesta a la radiacin sea mxima.La variacin de la
viscosidad del fuel-oil con la temperatura es importante para el
transporte del combustible hacia los quemadores pero, si cabe,
todava lo es ms para la correcta combustin. As, si se logra que se
alcance la ebullicin a la entrada de la cmara de combustin, la
eficacia de la combustin est casi asegurada.
2.5.2.2. Disolventes y residuos que contienen disolventesLos
combustible residuales que se incluyen dentro de este grupo son
generalmente muy diversos en cuanto a su aspecto y caractersticas.
No obstante, la gama tpica de estos residuos se puede describir, o
bien como un lquido sucio, o bien, a menudo cuando se trata por
ejemplo de colas de destilacin o de disolventes sucios muy
voltiles, como una pasta ms o menos fluida. Este tipo de residuos
acostumbra a tener un cierto olor caracterstico a travs del cual se
puede identificar el disolvente que est presente. Es importante
tener en cuenta que la existencia del residuo en forma de un
disolvente sucio o de una pasta slida impregnada, depende de la
disponibilidad, en aumento en numerosas grandes industrias, de
torres de destilacin, mediante las cuales se recupera buena parte
del disolvente consumido. 2.5.2.3. Residuos lquidos aceitososLa
caracterstica comn de todos los residuos de este grupo es
precisamente su aspecto ms o menos aceitoso. Todo el resto de
propiedades que puedan presentarse en un lquido aceitoso residual
son consecuencia de factores tan heterogneos como la cantidad de
agua presente, el tipo de contacto fsico existente entre la fase
acuosa y la aceitosa (emulsin, mezcla, etc.), el grado de aditivos,
impurezas y suciedad presentes de acuerdo con el uso aplicado, etc.
Huelga decir que el uso como combustible de cualquiera de estos
lquidos, en particular los aceites, obligar a una fase previa de
ajuste en la viscosidad con el fin de que pueda ser introducido en
un quemador convencional sin demasiados problemas.
2.5.3. Combustibles alternativos.En los pases industrializados,
por la gran generacin de residuos, y en los pases en vas de
desarrollo, por la precariedad en los sistemas de tratamiento de
ciertos combustibles, es conveniente fomentar tecnologas que
propicien el uso de combustibles alternativos con todas las
garantas tcnicas y ambientales. Una de estas tecnologas es la
gasificacin. Como dice la propia palabra, sta consiste en
transformar en gas un combustible slido, que en buena ortodoxia no
es nunca combustible. El quemar trozos de carbn o biomasa genera
mala combustin, con los problemas cermicos que ello conlleva y una
gran contaminacin. La gasificacin deviene como una tecnologa idnea
para su aprovechamiento. La gasificacin es la oxidacin parcial de
un combustible. Para ello, se requiere un poco de aire, del orden
de un 30% del estequiomtrico. En esta tesitura, es obvio que se van
a generar gran cantidad de gases inquemados, por tanto
combustibles, que son precisamente los que se van a enviar (en
forma de gas) al horno. El sistema que reproduce la figura 2.7 es
un gasificador de biomasa, aserrn, para la produccin de energa
elctrica. En cermica no es preciso seguir este esquema. A la salida
del gasificador, los gases salen a unos 750 C, se deben enfriar
algo y, directamente, pueden ser enviados hacia los quemadores.
Figura 2.7: Gasificador de biomasa. Este sistema permite el uso
seguro, tanto cermico, como ambiental de combustibles residuales o
alternativos como: - Biomasa. - Cascarilla de arroz. - Residuos
slidos urbanos. - Fango de papelera, etc.
2.5.3.1. Combustibles alternativos en la pasta.El combustible,
preferentemente residual, puede incorporarse a la pasta en
cantidades que dependen de la caracterizacin del residuo y de las
caractersticas que se desean obtener tras la coccin. El combustible
desde el interior de la pasta aporta un notable poder calorfico que
reduce de manera notable el consumo especifico del horno. La
tecnologa proporciona unas ventajas claras: - Aporta un poder
calorfico, lo que supone un ahorro de energa. - Genera porosidad en
el interior del ladrillo, lo que lo hace aislante trmico y mas
liviano. - Tambin incorpora la fraccin no orgnica del residuo, con
lo que la tecnologa deviene como una alternativa al tratamiento de
residuos. - A los ingresos procedentes del ahorro de energa debera
aadirse los provenientes del tratamiento de residuos. - Algunos de
los componentes del residuo actan como fundentes lo que permite
reducir la temperatura de coccin y con ello reducir el consumo
energtico.Sin embargo, su uso puede conllevar ciertos problemas: -
La porosidad cerrada generada en la desaparicin del combustible
torna la masa cermica en aislante con lo que se entorpece la
transmisin del calor. O sea es mas complicado el llegar al final de
la coccin. - Si no se toman las debidas precauciones se pueden
liberar compuestos txicos a la atmsfera procedentes del
combustible. - Aparicin de corazn negro. - Disminucin de la
resistencia mecnica. - Esta tecnologa presenta problemas cuando se
usan ciclos rpidos de coccin.
Captulo 3.- Factores exgenos. Si el captulo anterior hacia
referencia a las caractersticas intrnsecas del combustible, en el
presente se analizarn los parmetros ms propios del tipo de horno y
del sistema de combustin.
3.1. La transferencia de calor.Con independencia del tipo de
horno de que se trate el calentamiento de un material en general
estriba en la transferencia de calor desde un universo caliente que
lo conforman las paredes y bveda del horno hacia el producto a
calentar. Se comprende que el problema de que el calor llegue
homogneamente a una vagoneta densamente encaada, como la
representada en la figura 3.1 es un serio problema, puesto que el
propio material hace de barrera trmica a la radiacin.
Figura 3.1: Vagoneta densamente encaada. Por el contrario la
transferencia de calor a un tipo de material de encae "esponjoso"
como la vagoneta de material sanitario reproducida en la figura
3.2, va a facilitar el proceso.
Figura 3.2: Vagoneta encaada de baja densidad de carga. As pues,
y tal como esquematiza la figura 3.3, los intercambios trmicos en
el horno pueden sistematizarse como: - Por una parte la llama y los
productos de la combustin transmiten una cierta energa calorfica al
producto a calentar y a las paredes del horno. Esta transmisin
tiene lugar principalmente por conveccin y radiacin. - Por otra
parte, las paredes llevadas generalmente a una temperatura superior
a la del producto a calentar, ceden a sta por radiacin una cantidad
de calor importante.
Figura 3.3: Transmisin de potencia calorfica por radiacin y
conveccin. 3.1.1. El proceso de calentamientoEl objetivo
fundamental de la coccin es que el calor sea transferido desde las
paredes del horno al material, lo que supone un estado de agitacin
molecular que provoca rotura de enlaces, dilataciones,
evaporaciones, destilaciones, etc. Existe un importante intercambio
de calor entre los gases que circulan a contracorriente en el
interior del horno y el material. Esta transferencia se lleva a
cabo por conveccin y, a mas alta temperatura por radiacin de los
propios gases. Existe un caso particular, que en pura ortodoxia no
debiera incluirse en este apartado y se trata del agua. Como sea
que muchos materiales se introducen hmedos en el horno, es preciso
hacer una anotacin sobre el particular. El horno es una instalacin
diseada para elevar la temperatura de los slidos hasta la cota que
exija el material. Esto supone que habida cuenta del elevado calor
latente del agua, el consumo adicional del horno por este concepto
ser muy elevado. (En otras palabras: usar el horno como secadero
conduce a consumos especficos muy elevados y, con frecuencia,
ocasiona defectos en los materiales).
3.2. Tipos de transferencia trmicaPara generar los voltiles de
un combustible es preciso un nivel de temperatura en el horno y,
para ello se debe transferir correctamente una cantidad de calor.
La transmisin del calor acta por tres mecanismos principales,
distintos por su naturaleza fsica, aunque coexistentes en la mayor
parte de casos: - Conduccin pura, el fenmeno se ejerce en el seno
de medios materiales compactos sin movimientos internos, como son
los cuerpos slidos. - Conduccin-Conveccin, en el caso de medios
fluidos, afectados por movimientos relativos de sus diversas
partes: la transmisin de calor progresiva por conduccin se
incrementa debido a los transportes molares de calor resultantes de
los desplazamientos de materia de unos con respecto a los otros. -
Conveccin natural, en este caso el movimiento del fluido se debe al
efecto de las variaciones de densidad del mismo debidas a las
variaciones de temperatura de los elementos. - Conveccin forzada,
bajo el efecto de fuerzas exteriores que tienden a acelerar estos
movimientos relativos (ventiladores, bombas, campos magnticos,
etc.). - Radiacin, debido a la propiedad que tienen todos los
cuerpos a emitir permanentemente radiaciones (visibles o
invisibles) que se propagan a la velocidad de la luz y pueden ser
absorbidas por otro cuerpo, produciendo un desprendimiento de
calor. La radiacin trmica se asocia a una radiacin electromagntica
con un intervalo de longitudes de onda comprendidas principalmente
entre 0,01 y 100 micras. El cuerpo de mayor temperatura transmitir
al segundo ms energa radiada de la que recibir de l y su
temperatura bajar. La inversa suceder para el cuerpo ms fro.La
conduccin y la conveccin se basan en que los tomos que han recibido
energa cintica de una fuente de calor pueden propagar parte de esta
energa por colisiones con otros tomos vecinos. En un slido slo son
posibles las colisiones entre tomos muy prximos: el calor se
propaga por conduccin. En un fluido (lquido o gas) el mismo medio
puede moverse transportando tomos de gran energa cintica a sus
zonas fras: el calor se propaga por conveccin. Pero el calor se
puede transmitir incluso en el caso de que no exista contacto fsico
entre los tomos. La energa solar, por ejemplo, llega a la Tierra a
travs de un espacio casi vaco. El calor se propaga en este caso por
radiacin. Los principales elementos que radian energa en un horno
son las llamas luminosas, los gases de la atmsfera del horno y los
refractarios. En general la conduccin juega un papel secundario en
los fenmenos de transmisin de calor en un horno, excepto en dos
aspectos: las prdidas de calor a travs de las paredes (determinadas
en gran parte por las propiedades de los materiales de que estn
constituidas) y el calentamiento de slidos de gran masa,
particularmente en regmenes transitorios. En ambos casos dos son
los aspectos que hay que tener en cuenta: la resistencia al paso
del calor y la difusividad trmica del material. En resumen existen
dos mecanismos principales, la conveccin y la radiacin y hay una
serie de factores que potencian una u otra y hacen que un sistema
predomine sobre otro. Dejando pues aparte la transferencia trmica
por conduccin se pueden definir los siguientes criterios para
determinar la forma de transmisin predominante, en funcin de la
temperatura. A medida que aumenta la temperatura la transferencia
por radiacin es ms importante que por conveccin, por lo que se
puede afirmar que en los procesos a baja temperatura en general
tendr mayor importancia la conveccin y en los procesos a alta
temperatura la tendr la radiacin. La expresin tpica que rige el
flujo de calor transmitido por radiacin Qr es del tipo: Radiacin:
Qr=Shc(T14-T24) kcal/h hj: coeficiente de transmisin por radiacin,
kcal/m2hC
Donde: G: constante de Stefan Boltzmann (4,910-8kcal/m2hK4). E:
emisividad global relativa de la llama (valor comprendido entre 0 y
1). Tf y Tp: temperatura de llama y de paredes, en grados
centgrados. Mientras que en la transmisin por conveccin Qc la
expresin es: Conveccin: Qc = Shc (T1 - T2) kcal/h. hc: Coeficiente
de transmisin por conveccin, kcal/m2h C
donde: d: dimetro en metros (m). k: conductividad trmica de los
gases, kcal/mhK. w: viscosidad cinemtica de los gases, m2/h. v:
velocidad de los gases, m/h. 3.2.1. La radiacinEs obvio que al
estar la diferencia de temperatura, en el caso de la radiacin,
afectada de la cuarta potencia, a altas temperaturas su
preponderancia va a ser indiscutible. Circunstancia que se ve
reforzada al incrementarse el coeficiente de radiacin con la
temperatura, tal y como indica la figura 3.4.
Figura 3.4: Evolucin del coeficiente de radiacin con la
temperatura. Como se ver mas adelante al analizar las curvas de
temperatura, en la zona de coccin, que es donde se alcanzan las
temperaturas ms elevadas, es donde se consigue igualar las
temperaturas de la parte alta y baja existentes en la seccin de un
horno tnel convencional.
3.2.2. La conveccin.El factor ms importante en la transmisin de
calor por conveccin es la velocidad de los gases. Con la velocidad
la tasa de transmisin de calor por conveccin aumenta pero por el
contrario disminuye la temperatura y el exceso de aire y la
cantidad de inquemados aumenta.
Figura 3.5: Evolucin del coeficiente de conveccin en funcin de
la velocidad de la corriente gaseosa. Al incrementar la velocidad
de los gases, se incrementa proporcionalmente el factor de
transmisin por conveccin, aumentando por tanto la importancia de la
transmisin por este sistema, tal y como ilustra la figura 3.5. Este
fenmeno se pone de manifiesto en la gama de baja temperatura,
principalmente por debajo de 600 C, o sea en el precalentamiento y
el enfriamiento. De la figura se observa que para duplicar el
coeficiente de conveccin (hc) (pasar de 12,5 a 25 kcal/m2hC), es
necesario multiplicar por tres la velocidad de los gases (pasar de
10 a 30 m/s). Esto suele ser impracticable en los hornos. A bajas
temperaturas es preciso una fuerte turbulencia, que se consigue con
una alta velocidad de derrame de los gases. Con ello la tasa de
intercambio trmico se ve muy incrementada. Para que la transmisin
por conveccin aumente de manera significativa las velocidades de
derrame han de ser del orden de las 100m/s, lo cual es inaccesible
en los hornos cermicos. A mayor temperatura el efecto velocidad de
humos es mucho menos importante y va cobrando importancia la
radiacin trmica. En funcin del tipo de material La radiacin se
transmite en lnea recta de un cuerpo a otro, por lo que su eficacia
depender de la mayor o menor superficie que el producto a calentar
pueda presentar frente al foco emisor. Por ello, la transmisin de
calor por radiacin es conveniente aplicarla principalmente al
calentamiento de cuerpos con superficies grandes y planas, pocas
rugosidades, pequeo espesor, etc. (baldosas, planchas, baos de poca
profundidad, etc.) siendo ms indicado el calentamiento por
conveccin en el caso de productos de geometra complicada, con
rugosidad, huecos, etc. Como resumen a lo expuesto, la figura 3.6
muestra un horno monostrato para la coccin de vajilla. En el mismo
y debido a su particular geometra, se podra eliminar la
conveccin.
Figura 3.6: Horno monostrato para la coccin de vajilla. 3.3. La
potenciacin de la conveccin.A parte de las propiedades comentadas
en el apartado anterior, la conveccin presenta otras propiedades
muy interesantes a la hora de economizar energa mediante alguna de
las siguientes propiedades: - Homogeneizacin de temperaturas del
horno, que obligatoriamente pasa por una gran turbulencia y por
tanto elevadas tasas de transferencia de calor por conveccin. - En
muchos procesos que requieren temperaturas elevadas, stas se
consiguen en la denominada zona de radiacin del horno. La
recuperacin del calor de los gases que abandonan la zona de
radiacin es posible mediante la conveccin, como indica el que se
designe a las restantes zonas del horno como "zona de
conveccin".
3.3.1. Quemadores de alta velocidad.Para optimizar la
transferencia de calor a baja temperatura se usan quemadores de
alta velocidad, o en la terminologa anglosajona quemadores jets, o
de chorro. Ello se consigue a base de mezclar el combustible con un
gran exceso de aire. Los quemadores jet, consiguen bsicamente altas
velocidades al efectuar la combustin en cmaras o bloques
restrictivos. La mezcla de aire comburente y el combustible alcanza
altas temperaturas en ellos, y por tanto aumenta el volumen de los
gases; stos deben pasar por el agujero de salida de la cmara, con
lo que aumenta mucho su velocidad. Para que ello sea posible, es
mejor una correcta precisin en el suministro de aire que un exceso
de ste; de este modo no tendr lugar el retroceso en llama. Los
quemadores son los dispositivos que permiten realizar la reaccin de
combustin entre el combustible y el comburente de manera controlada
y regulable, asegurando la aportacin adecuada de ambos para
conseguir la potencia calorfica especificada, y distribuyendo la
zona de reaccin (llamas) y la circulacin de los productos de
combustin de modo que se transfiera a la carga, en la manera ms
eficiente posible, todo el calor producido. La misin primordial de
los quemadores es regular la velocidad de combustin mediante la
mezcla ms o menos completa del combustible y del aire de combustin.
Aplicando la ecuacin de estado de los gases, en caso de trabajar a
presin constante, el volumen aumenta de manera importante debido al
incremento de temperatura que produce la combustin. Los quemadores
de alta velocidad tienen por caracterstica principal, la de
transmitir el calor de la combustin bajo la forma de chorro gaseoso
de alta energa cintica. De esta forma se puede obtener un
intercambio de calor por conveccin muy elevado y una agitacin
enrgica, de la atmsfera del recinto en donde se pretende calentar,
de forma homognea, cargas a calentar diversas o de formas
complicadas. La figura 3.7 muestra un esquema de principio de un
quemador de alta velocidad. Este comprende: - Un dispositivo de
mezcla del combustible y comburente (quemador). - Una cmara de
combustin (tobera). - Un orificio de salida de los productos de la
combustin ya completada que produce el chorro (final de la
tobera).El dispositivo de mezcla puede ser el quemador propiamente
dicho (quemadores con mezcla en la cabeza) o bien separado del
quemador siendo comn a varios quemadores (quemador de premezcla) Es
importante insistir en que el principio de funcionamiento de un
quemador de alta velocidad (y as debiera ser tambin en todos los
dems) la combustin se realiza ntegramente en el interior de la
tobera, o cmara de combustin, y lo que sale por el orificio de
salida es un chorro de productos de la combustin, no restos de
combustible. Ya que una vez dentro del horno es muy difcil de
quemar lo que no ha ardido correctamente antes.
Figura 3.7: Principio de funcionamiento de un quemador de alta
velocidad. La cmara de combustin debe tener un volumen suficiente,
para permitir que se desarrolle la combustin completa de la mezcla
engendrada por el dispositivo de mezcla.
Figura 3.8: Comparacin de un quemador convencional con uno de
alta velocidad. La figura 3.8 muestra el principio de
funcionamiento de un quemador de alta velocidad (parte superior) en
comparacin con otro convencional (inferior). De todo lo expuesto se
colige que un quemador es un dispositivo que mezcla bien el
combustible y el comburente. El hecho de poder trabajar con mayor
exceso de aire supone un descenso de la temperatura de salida de
horno muy grande pero ello implica una gran energa cintica que se
traduce en unas turbulencias que destruyen las estratificaciones de
temperatura en el interior del horno. Adems el jet "fro" en el
inicio de la zona de precalentamiento no produce deflexin del
chorro y por tanto mejora el rendimiento (parte superior de la
figura 3.8).
3.3.2. Comentarios a los quemadores para lquidos.En el caso del
uso de combustibles lquidos o slidos, el problema de la
homogeneizacin de las temperaturas es bastante ms complejo. La
quema de un lquido comporta muchos ms problemas que la combustin de
un gas. As los quemadores de lquidos llevan un dispositivo mediante
el cual inyectan el combustible con mayor o menor presin. Cuando la
presin es mxima, el combustible entra en el horno muy dividido, y
por consiguiente se inflama para provocar la ignicin. A medida que
la presin en la inyeccin desciende, el combustible tarda ms en
inflamarse, y en esto consiste principalmente la posibilidad de
conseguir a que la ignicin se produzca en la parte inferior del
horno.
Figura 3.9: Quemador para lquido en el interior de los paquetes
En la figura 3.9 hay un diseo en el cual las igniciones del
combustible se producen a distintas alturas, de modo que, cuando la
ignicin tiene lugar en la parte ms inferior, implica que la
inyeccin de combustible se ha efectuado con menor presin. En
efecto, la presin con que se inyecta el combustible lo pulveriza y,
al chocar el mismo combustible pulverizado con el ambiente del
horno, a una temperatura alta, las partculas se inflaman
instantneamente, y no llegan a daar las paredes del horno. Como ya
de por s las llamas tienden a ir por la parte superior de la
galera, cuanto ms baja se obtenga la ignicin del combustible, mejor
se equilibrar la temperatura en toda la seccin del canal. El
ceramista usa esta propiedad para conseguir que la llama alcance
todas las alturas del paquete. De los innumerables tipos de
quemadores que existen se puede establecer dos variantes
principales: los de inyeccin del combustible a impulsos, que no
suelen tener aportacin de aire junto con el combustible, y los de
inyeccin continua. La figura 3.10