1. fundamentos de la combustión - carlos correa[1]

FUNDAMENTOS FUNDAMENTOS DE LA DE LA

COMBUSTICOMBUSTIÓÓNN

OBJETIVOSOBJETIVOS

Buscar un mejor entendimiento Buscar un mejor entendimiento acerca del proceso de la combustiacerca del proceso de la combustióón.n.

Revisar algunas propiedades Revisar algunas propiedades inherentes al proceso que pueden inherentes al proceso que pueden ser ser úútiles en el dimensionamiento y tiles en el dimensionamiento y ananáálisis de aplicaciones.lisis de aplicaciones.

DEFINICIONES BDEFINICIONES BÁÁSICASSICASCombustiCombustióónn: oxidaci: oxidacióón de una n de una sustancia resultando en el sustancia resultando en el desprendimiento de calor y en la desprendimiento de calor y en la producciproduccióón de una llama visible.n de una llama visible.

CombustibleCombustible: es una sustancia, : es una sustancia, ssóólida, llida, lííquida o gaseosa que puede quida o gaseosa que puede ser fser fáácilmente quemada para cilmente quemada para producir calorproducir calor

ELEMENTOS Y REACCIONES ELEMENTOS Y REACCIONES QUQUÍÍMICASMICAS

HC O

REACCIONES BREACCIONES BÁÁSICAS EN SICAS EN LA COMBUSTILA COMBUSTIÓÓNN

El carbono, el hidrogeno y el azufre tienen El carbono, el hidrogeno y el azufre tienen una gran afinidad por el oxigenouna gran afinidad por el oxigeno

C C + O+ O2 2 COCO2 2 + +

2H2H22 + O+ O2 2 2H2H22OO + +

S S + O+ O2 2 SOSO2 2 + +

COMBUSTIBLES COMERCIALESCOMBUSTIBLES COMERCIALESGASEOSOS, LGASEOSOS, LÍÍQUIDOS Y SQUIDOS Y SÓÓLIDOSLIDOS

NOMBRENOMBRE CONSTITUYENTECONSTITUYENTES PRINCIPALESS PRINCIPALES

VALOR VALOR ENERGENERGÉÉTICO TICO BRUTOBRUTO

VALOR VALOR ENEGENEGÉÉTICO TICO NETONETO

GRAVEDAD GRAVEDAD ESPECESPECÍÍFICAFICA

GAS GAS MANUFACTURADOMANUFACTURADO

CO CO ++ H2H2 500 BTU/CF500 BTU/CF --

913 BTU/CF913 BTU/CF

2385 BTU/CF2385 BTU/CF

3113 BTU/CF3113 BTU/CF

1430 BTU/CF1430 BTU/CF

125,000 BTU/GAL125,000 BTU/GAL

FUEL OIL FUEL OIL NNºº66 -- 158,000 BTU/GAL158,000 BTU/GAL 138,000 BTU/GAL138,000 BTU/GAL --

CARBCARBÓÓNN -- 14,000 BTU/LB14,000 BTU/LB 14,000 BTU/LB14,000 BTU/LB --

--

0,560,56

GAS NATURALGAS NATURAL CH4 CH4 1000 BTU/CF1000 BTU/CF 0,640,64

PROPANOPROPANO C3H8C3H8 2500 BTU/CF2500 BTU/CF 1.521.52

BUTANOBUTANO C4H10C4H10 3200 BTU/CF3200 BTU/CF 2,02,0

ACETILENOACETILENO C2H2C2H2 1488 BTU/CF1488 BTU/CF --

FUEL OIL FUEL OIL NNºº22 -- 138,000 BTU/GAL138,000 BTU/GAL --

MADERAMADERA -- 6,300 BTU/LB6,300 BTU/LB --

QUQUÍÍMICA DE LA COMBUSTIMICA DE LA COMBUSTIÓÓNN

CHCH44 ++ 2O2O22 COCO22 ++ 2H2H22O O ++ CALORCALOR

CHCH44 ++ 2O2O22 ++ 8N8N22 COCO22 ++ 2H2H22O O ++ 8N8N22 ++ 1000 BTU1000 BTU

CC33HH88 ++ 5O5O22 + 20N+ 20N22 3CO3CO22 ++ 4H4H22O O ++ 20N20N22 ++ 2500 2500 BTUBTU

QUQUÍÍMICA DE LA COMBUSTIMICA DE LA COMBUSTIÓÓNN

1 CF GAS NATURAL 1 CF GAS NATURAL + 10 CF AIRE+ 10 CF AIRE 1000 BTU1000 BTU1 CF PROPANO + 25 CF AIRE1 CF PROPANO + 25 CF AIRE 2500 BTU2500 BTU1 CF BUTANO + 32 CF AIRE1 CF BUTANO + 32 CF AIRE 3200 BTU3200 BTU

Un hecho importante es:Un hecho importante es:

1 CF AIRE 1 CF AIRE + COMBUSTIB+ COMBUSTIBLELE 100 BTU100 BTU

Cuando se conoce la capacidad en BTU de un combustible se Cuando se conoce la capacidad en BTU de un combustible se puede calcular de manera rpuede calcular de manera ráápida la cantidad de aire requerida.pida la cantidad de aire requerida.

PROPORCIONES PROPORCIONES AIRE AIRE -- COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE

COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE AIRE (CF/UNIDAD AIRE (CF/UNIDAD DE COMBUSTIBLE)DE COMBUSTIBLE)

PROPORCION PROPORCION ESTEQUEOMESTEQUEOMÉÉTRICATRICA

GAS NATURAL GAS NATURAL (CF)(CF)

1010 1:101:10

PROPANOPROPANO 2525 1:251:25

BUTANOBUTANO 3232 1:321:32

FUEL FUEL NNºº22 (GAL)(GAL) 13201320 1:13201:1320

FUEL FUEL NNºº66 (GAL)(GAL) 15801580 1:15801:1580

CARBCARBÓÓN (LB)N (LB) 140140 1:1401:140

MADERA (LB)MADERA (LB) 6363 1:631:63

TIPOS DE COMBUSTITIPOS DE COMBUSTIÓÓNN

COMBUSTICOMBUSTIÓÓN ESTEQUEOMN ESTEQUEOMÉÉTRICATRICA

COMBUSTICOMBUSTIÓÓN OXIDANTEN OXIDANTE

COMBUSTICOMBUSTIÓÓN REDUCTORAN REDUCTORA

MECMECÁÁNICA DE LA NICA DE LA COMBUSTICOMBUSTIÓÓNN

H

HC

H

H

O O

O O

OC

O

OH H

H

O

H

FASES DE LA COMBUSTIFASES DE LA COMBUSTIÓÓNN--GASESGASES

Ene

rgía

Evolución de la reacción

FORMALDEIDO, ACIDO FÓRMICO, ALCOHOLES

CH4, O2

CO2,H2O

Estado incicial

Energía mínima de ignición

Energía liberada

632 ºC (gas natural)

LLÍÍMITES DE FLAMABILIDADMITES DE FLAMABILIDAD

LLÍÍMITES DE FLAMABILIDADMITES DE FLAMABILIDADCOMBUSTIBLECOMBUSTIBLE TEMPERATURA TEMPERATURA

DE IGNICIDE IGNICIÓÓN (N (ººCC))LLÍÍMITE INFERIOR DE MITE INFERIOR DE FLAMABILIDAD %FLAMABILIDAD %

LLÍÍMITE SUPERIOR DE MITE SUPERIOR DE FLAMABILIDAD %FLAMABILIDAD %

GAS NATURALGAS NATURAL 632632 55 1515PROPANOPROPANO 490 490 --548548 2,4 2,4 9,69,6BUTANOBUTANO 490 490 -- 538538 1,9 1,9 8,68,6HIDROGENOHIDROGENO 570570 44 7474ACETILENOACETILENO 426426 2,52,5 8080MONOXIDO DE MONOXIDO DE CARBONOCARBONO 610610 1212 7575

CONDICIONES NECESARIAS CONDICIONES NECESARIAS PARA LA COMBUSTIPARA LA COMBUSTIÓÓNN

COMBUSTIBLECOMBUSTIBLEOXIDANTE (Comburente)OXIDANTE (Comburente)TEMPERATURA DE IGNICITEMPERATURA DE IGNICIÓÓNN

PROPIEDADES DE LA PROPIEDADES DE LA COMBUSTICOMBUSTIÓÓNN

LA LLAMALA LLAMA

AUMENTA LA TEMPERATURA DE LA AUMENTA LA TEMPERATURA DE LA MEZCLA COMBUSTIBLE MEZCLA COMBUSTIBLE –– OXIDANTE Y OXIDANTE Y MANTIENE LA REACCIMANTIENE LA REACCIÓÓN DE COMBUSTIN DE COMBUSTIÓÓN.N.

ENTREGA ENERGENTREGA ENERGÍÍA A LOS ALREDEDORES A A LOS ALREDEDORES MEDIANTE LOS MECANISMOS DE MEDIANTE LOS MECANISMOS DE RADIACIRADIACIÓÓN Y CONVECCIN Y CONVECCIÓÓN.N.

PROPIEDADES DE LA PROPIEDADES DE LA COMBUSTICOMBUSTIÓÓNN

TEMPERATURA Y LUMINOSIDAD DE TEMPERATURA Y LUMINOSIDAD DE LLAMALLAMA

Temperatura adiabTemperatura adiabáática.tica.

ReacciReaccióón estequiomn estequioméétrica.trica.

DisociaciDisociacióón.n.

Para gas natural la temperatura de Para gas natural la temperatura de llama adiabllama adiabáática es tica es aproximadamente 3600aproximadamente 3600ººFF(1982(1982ººC).C).DespuDespuéés de la disociacis de la disociacióón se tiene n se tiene alrededor de 3400alrededor de 3400ººFF(1871(1871ººC).C).Considerando las perdidas en los Considerando las perdidas en los alrededores lo mejor que se puede alrededores lo mejor que se puede obtener esta cercano a obtener esta cercano a 30003000ººFF(1649(1649ººC).C).

PROPIEDADES DE LA COMBUSTIPROPIEDADES DE LA COMBUSTIÓÓNN

PROPIEDADES DE LA PROPIEDADES DE LA COMBUSTICOMBUSTIÓÓNN

VELOCIDAD Y GEOMETRVELOCIDAD Y GEOMETRÍÍA DE LA A DE LA LLAMALLAMA

NG=1ft/s air, (15ft/s-oxy)

PR=2.8ft/s air, (22ft/s-oxy)

PROPIEDADES DE LA PROPIEDADES DE LA COMBUSTICOMBUSTIÓÓNN

RADIACIRADIACIÓÓN Y CONDUCTIVIDAD DE LA N Y CONDUCTIVIDAD DE LA LLAMALLAMA

++

+

+

+ ++ ++

+

IR

UV

PROPIEDADES DE LA PROPIEDADES DE LA COMBUSTICOMBUSTIÓÓNN

ENFRIAMIENTO DE LLAMAENFRIAMIENTO DE LLAMA

ALDEHYDOS, ACIDOS Y MONOXIDO DE CARBONO

Area enfriada

Area enfriada

AIRE

AIRE

PROPIEDADES DE LA PROPIEDADES DE LA COMBUSTICOMBUSTIÓÓNN

17.1% 13.5%

5.5%

62.2%85.0%82.0%85.0%71.9% 82.0%

14.6%13.5%22.6%

14.3%

GASNATURAL

G.L.P. KEROSENE CRUDO ACPM CARBÓN

H2 O2C

PROPIEDADES DE LA PROPIEDADES DE LA COMBUSTICOMBUSTIÓÓNN

S N2 Ceniza

1.3%

4.9% 0.7%2.0%0.8%0.5%

12.0%

GASNATURAL

G.L.P. KEROSENE CRUDO ACPM CARBÓN

PROPIEDADES DE LA PROPIEDADES DE LA COMBUSTICOMBUSTIÓÓNN

Excess Fuel Neutral Excess Air

Perc

enta

ge b

yVo

lum

e

% CO2

% CO + H2

% O2

% CO2

% O2 % CO+ H2

PROPIEDADES DE LA COMBUSTIPROPIEDADES DE LA COMBUSTIÓÓNNCALOR DISPONIBLECALOR DISPONIBLE

PROPIEDADES DE LA COMBUSTIPROPIEDADES DE LA COMBUSTIÓÓNNCALOR DISPONIBLECALOR DISPONIBLE

PROPIEDADES DE LA COMBUSTIPROPIEDADES DE LA COMBUSTIÓÓNN% PRODUCTOS DE LA COMBUSTI% PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓÓN VS % EXCESO DE N VS % EXCESO DE AIREAIRE

PROPIEDADES DE LA COMBUSTIPROPIEDADES DE LA COMBUSTIÓÓNN% PRODUCTOS DE LA COMBUSTI% PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓÓN VS TEMPERATURA N VS TEMPERATURA PRODUCTOS COMBUSTIPRODUCTOS COMBUSTIÓÓN (N (G.NG.N))

PROPIEDADES DE LA COMBUSTIPROPIEDADES DE LA COMBUSTIÓÓNNTEMPERATURA PRODUCTOS DE LA COMBUSTITEMPERATURA PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓÓN VS % EXCESO DE AIREN VS % EXCESO DE AIRE

PROPIEDADES DE LA COMBUSTIPROPIEDADES DE LA COMBUSTIÓÓNNLbLb COCO22 PRODUCIDAS POR CADA MMBTU GENERADOPRODUCIDAS POR CADA MMBTU GENERADO

EFICIENCIAEFICIENCIADISEDISEÑÑO DEL EQUIPOO DEL EQUIPODISEDISEÑÑO DEL PROCESOO DEL PROCESORELACIONES AIRE/COMBUSTIBLERELACIONES AIRE/COMBUSTIBLECOMBUSTIBLE EMPLEADOCOMBUSTIBLE EMPLEADO

RESUMENRESUMENCONDICIONES BCONDICIONES BÁÁSICAS PARA LA SICAS PARA LA COMBUSTICOMBUSTIÓÓN.N.VALOR ENERGVALOR ENERGÉÉTICOTICORELACIRELACIÓÓN AIRE/COMBUSTIBLE.N AIRE/COMBUSTIBLE.LLÍÍMITES DE FLAMABILIDAD.MITES DE FLAMABILIDAD.TEMPERATURA DE LLAMA.TEMPERATURA DE LLAMA.PRODUCTOD INTERMEDIOS DE LA PRODUCTOD INTERMEDIOS DE LA COMBUSTICOMBUSTIÓÓN.N.PRODUCTOS FINALES DE LA COMBUSTIPRODUCTOS FINALES DE LA COMBUSTIÓÓN.N.CALOR DISPONIBLECALOR DISPONIBLE

CONTROLANDO EL PROCESO DE LA CONTROLANDO EL PROCESO DE LA COMBUSTICOMBUSTIÓÓNN

RETENER, FORMAR Y DIRIGIR LA RETENER, FORMAR Y DIRIGIR LA LLAMA.LLAMA.MANTENIMIENTO DE LA RELACIMANTENIMIENTO DE LA RELACIÓÓN N AIRE/COMBUSTIBLE APROPIADA.AIRE/COMBUSTIBLE APROPIADA.CONTROL DE LA VELOCIDAD DE CONTROL DE LA VELOCIDAD DE REACCIREACCIÓÓN.N.

¿¿PREGUNTAS?PREGUNTAS?

GRACIAS!

juan.mora@premac-inc.com / www.premac-inc.com