Combustión
El calor generado por el proceso de combustión es la principal fuente de energía térmica para la mayoría de las calderas. Aunque algunas calderas utilizan otros métodos, como las calderas eléctricas, estas no son tan comunes como las que funcionan con combustibles fósiles.
La combustión implica la oxidación de los átomos de hidrógeno en un combustible para liberar calor. Dado que las calderas de combustibles fósiles y el vapor están estrechamente relacionados, es esencial comprender el proceso de combustión para entender cómo se genera el vapor. Este capítulo aborda el proceso de combustión y su importancia en la generación de vapor.
Reacción Química de Combustión
La combustión es la oxidación rápida de un combustible, resultando en una transferencia de energía en forma de calor y luz. Para esta lección, es importante conocer algunos elementos químicos comunes y sus símbolos.
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Símbolo Químico |
Elemento o Sustancia |
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C |
Carbono |
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H |
Hidrógeno |
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CxHy |
Hidrocarburos |
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O |
Oxígeno |
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CO2 |
Dióxido de Carbono |
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H2O |
Agua |
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N2 |
Nitrógeno |
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CO |
Monóxido de Carbono |
Tabla de Símbolos Químicos
Nota: Aunque el oxígeno tiene el símbolo químico 'O', es más común en su forma molecular 'O2' y a menudo se representa así.
Los combustibles son compuestos de hidrocarburos y se representan con los símbolos químicos CxHy; los valores de x e y varían según el tipo de combustible. Otras sustancias pueden formarse cuando los elementos se combinan, como cuando dos átomos de hidrógeno (H) se combinan con un átomo de oxígeno (O) para formar agua (H2O).
La imagen a continuación ilustra la reacción química que ocurre cuando el combustible (CxHy) se quema con oxígeno (O). Los reactivos de la reacción química son el combustible (hidrocarburos) y el oxígeno. Los productos de la reacción química son dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y ΔH.
El símbolo 'ΔH' (delta H) representa el calor de reacción (también conocido como entalpía de reacción). ΔH indica la cantidad de energía liberada o transferida por la reacción química. ΔH varía dependiendo de la completitud de la combustión.
Reacción Química de Combustión
Requisitos de Combustión
La combustión solo puede ocurrir si están presentes tres elementos:
- Oxígeno
- Calor
- Combustible
En el caso de una caldera, el oxígeno es proporcionado por el aire ambiente, que contiene aproximadamente 21% de oxígeno. Los combustibles más comunes para calderas son el gas natural, el fuel oil y el carbón. El calor puede suministrarse durante el encendido, como al crear un arco eléctrico para encender la mezcla de aire/combustible.
Un triángulo de fuego (también conocido como triángulo de combustión) representa los requisitos de la combustión; un tetraedro de fuego (mostrado a continuación) cumple un propósito similar.
Tetraedro de Fuego
Los tres elementos de la combustión deben estar presentes en proporciones correctas, de lo contrario, la combustión no puede ocurrir. Un exceso de aire o una cantidad insuficiente de combustible pueden impedir la combustión, al igual que un exceso de combustible y una cantidad insuficiente de aire.
Perfecta, Completa e Incompleta
La combustión en calderas se clasifica como perfecta, completa o incompleta.
- Combustión Perfecta – se proporciona la cantidad exacta de aire para lograr la combustión completa del combustible. La combustión perfecta solo es alcanzable en condiciones de laboratorio.
- Combustión Completa – se proporciona la cantidad mínima de aire necesaria para lograr la combustión completa. Los operadores de calderas deben intentar siempre lograr la combustión completa.
- Combustión Incompleta – se proporciona una cantidad insuficiente de aire, resultando en una combustión incompleta.
La combustión completa es crucial para evitar una reducción en la eficiencia de la caldera y posibles riesgos de seguridad. Cuando el combustible se quema completamente, los productos comunes de la combustión incluyen dióxido de carbono (CO2), vapor de agua (H2O), nitrógeno (N2), óxidos de azufre (SOx) y óxidos de nitrógeno (NOx). Si el combustible no se quema completamente, los productos de la combustión pueden incluir monóxido de carbono (CO), hollín y humo.
El monóxido de carbono es un gas tóxico e inflamable que es menos denso que el aire. La combustión incompleta puede llevar a la generación de monóxido de carbono, lo cual no es deseado, ya que representa un riesgo para la salud y la seguridad. Otros subproductos de la combustión incompleta incluyen hollín y humo, ambos pueden reducir la transferencia de calor dentro de la caldera, lo que lleva a una reducción general de la eficiencia.
Aire Primario, Secundario y Exceso
La cantidad de aire suministrada a una caldera para la combustión varía dependiendo de si la combustión es completa o incompleta. Es posible medir los gases de combustión para determinar si la combustión fue completa o incompleta. Un exceso de oxígeno en los gases de combustión indica que se proporcionó demasiado aire para la combustión. Altos niveles de monóxido de carbono en los gases de combustión indican que se proporcionó muy poco aire y la combustión fue incompleta.
Si el combustible no se quema durante la combustión, los niveles de monóxido de carbono serán altos, y se necesitará suministrar más aire por el quemador de la caldera para lograr la combustión completa. Si se suministra demasiado aire durante la combustión, los niveles de oxígeno en los gases de combustión serán altos, y la cantidad de aire suministrada al quemador de la caldera deberá reducirse.
El aire total suministrado a la caldera se categoriza además como primario, secundario o exceso.
- Aire Primario – se mezcla con el combustible antes de que llegue al espacio de combustión. El aire primario controla la cantidad de combustible quemado.
- Aire Secundario – se añade al espacio de combustión durante la combustión. El aire secundario controla cuán eficientemente se quema el combustible.
- Exceso de Aire – es el aire añadido al proceso de combustión que no era necesario para la combustión. El exceso de aire es aire secundario que no formó parte del proceso de combustión.
- Aire Total – la suma del aire suministrado para el proceso de combustión, es decir, aire primario + aire secundario + exceso de aire = aire total.
Nota: El término aire de dilución describe el aire añadido al conducto (espacio entre la caldera y la chimenea) para ayudar a que los gases de combustión fluyan de la caldera a la atmósfera
Recursos Adicionales
https://en.wikipedia.org/wiki/Combustion
https://www.bbc.co.uk/bitesize/topics/zypsgk7/articles/zcwxcj6#
http://www.auburn.edu/academic/forestry_wildlife/fire/combustion.htm