clase 3 elementos de combustion jce 05 ago 14

DIPLOMA DE POSTÍTULO

D I S E Ñ O C O N T R A I N C E N D I O S

NOMBRE DEL CURSO

TEMA: “Elementos de Combustión”

Universidad de Chile

Nombre Profesor: Juan‐Carlos ELICERContacto: [email protected]

ELEMENTOS DE COMBUSTION Introducción

Hace 600.000 años el hombre era incapaz de encender fuego.

Encendido natural del fuego (rayos, volcanes, combustión espontánea).

Hace 30.000 años el hombre pudo encender fuego (fricción de madera,

chispas de piedras).

El fuego rol fundamental en transición de nómada a sedentario (cavernas más

confortable, soportar épocas frías, migración a zonas más frías).

Combustión relevante en desarrollo tecnológico y cultural de la humanidad

(alfarería, metalurgia, generación de potencia y procesos industriales).

NOMBRE CURSO: Elementos de Combustión 2

DIPLOMA DE POSTÍTULO DISEÑO CONTRA INCENDIOS

Lento progreso para dominar la combustión (complejidad).

Por años naturaleza de la combustión no comprendida estudio formal.

Siglo XIX: alguna claridad sobre combustión manejo teórico razonable.

Siglo XX: capacidad predictiva de teoría de combustión todavía insuficiente.

Ciencia y tecnología de la combustión carriles separados.

Siglo XXI: Ciencia-Técnica de combustión progreso computación y

modelos de combustión (resolución de problemas complejos).

Modelos de combustión:

específicos cierta capacidad predictiva

generales no existen por complejidad del fenómeno de combustión.



Crisis 70’ y medio ambiente acercamiento ciencia-técnica de combustión

Industria aerospacial y militar grandes avances

industria automotriz Importante demanda combustibles fósiles.

Fuerte dependencia combustibles fósiles hasta bien avanzado el Siglo XXI.

Vehículos M.C.I hasta el 2020, a pesar de la escasez de combustibles.

Ámbito de la combustión es bastante más amplio.

Combustión deseada: generación de calor (vapor calderas para electricidad

o procesos); calentamiento de aire; procesos metalúrgicos; motores de

combustión interna generación empuje o potencia; incineración residuos, etc.

Combustión no deseada: explosiones gases y polvos ; incendios, etc.



Combustión

Combustión: “conjunto de rápidas reacciones químicas (oxidación) entre un

combustible y un comburente con desprendimiento de calor, emisión de

radiación luminosa (llama), productos gaseosos y eventualmente humo”.

Humo: hollín, gases combustibles no quemados, gases tóxicos e irritantes, CO,

CO2 y vapor de agua.

Combustión según velocidad de la reacción química:

lenta ---

normal ---

deflagración ---

rápida



NOMBRE CURSO : Elementos de Combustión 6


CombustiCombustióón Lentan Lenta: aumento imperceptible de temp. y de calor; no hay llama Oxidación de metales o amarilleo del papel.

CombustiCombustióón no n no DeflagrativaDeflagrativa: Calor y aumento de temp.; llama (luminosidad); velox. de combustión ≈ cm/s; presión=cte.(1 atm). Ej.: fuego, incendios, llama de vela o quemador cocina Combustión.

CombustiCombustióón n DeflagrativaDeflagrativa: gran generación Calor y aumento de temp.; hay llama; velox. de combustión ≈ m/s; ∆P ≈10 Patm. Deflagración.

CombustiCombustióón Rn Ráápida o Instantpida o Instantááneanea: fenómeno de fracciones de segundo; generación de calor intenso y gran aumento de temp.; desplazamiento de gases a alta presión; hay llama; velox de combustión supersónica ≈km/s; ∆P≈100 Patm. Detonación y Explosión.



Enfoques de anEnfoques de anáálisis de la combustilisis de la combustióónn:

Conservación de la materia (Estequiometría)

1er Principio de la Termodinámica (Conservación de la Energía)

2º Principio de la Termodinámica

Mecánica de los Fluidos

Transferencia de calor y masa

Cinética química

NOMBRE CURSO 8


CombustiCombustióón estequiomn estequioméétricatrica: Combustión mezcla reactiva de combustible

carbonoso + aire CO2, H2O y N2, a 1 atm. y a T*=298 K (25°C).

Combustión Estequiométrica = Combustión Perfecta = Combustión Completa.

Especies químicas típicas de combustión:

Aire: (i)

(ii)

C H O N S H2O CO CO2gr/mol gr/mol gr/mol gr/mol gr/mol gr/mol gr/mol gr/mol

12 1 16 14 32 18 28 44


NOMBRE CURSO 9


Formular, resolver y escribir la ecuación de combustión de un combustible:

1∗Fuel+ Zi∗(0,21∗O2+0,79∗N2) (Aire) x*∗CO2 + t*∗H2O + i*∗N2

Relación Aire/Combustible (A/F):

•

(A/F)molar= (Zi/1)=Zi

•

(A/F)másica= Zi∗[0,21∗32+0,79∗28] / [M*fuel] [gr/mol]

Riqueza o Relación de Equivalencia: Φ =(A/F)st/(A/F)

Exceso o defecto de Aire: ε =(1- Φ)/ Φ


NOMBRE CURSO 10


LLíímites de Inflamabilidadmites de Inflamabilidad: concentración de combustible (mín. y máx) para

que ocurra combustión ante fuente de ignición (a presión y Temp. Ambiente).

Límite Inferior de Inflamabilidad (L.I.I.): mínima concentración de Fuel para

mantener la combustión Φ mínima ε máximo.

Límite Superior de Inflamabilidad (L.S.I.): máxima concentración de Fuel para

mantener la combustión Φ máxima ε mínimo.


NOMBRE CURSO 11


LLíímites de Inflamabilidad del Metano (CH4):mites de Inflamabilidad del Metano (CH4):

CaracterCaracteríísticas de algunos hidrocarburos (sticas de algunos hidrocarburos (CnHmCnHm):):


NOMBRE CURSO 12


Conceptos y Definiciones

Temperatura o Punto de VaporizaciTemperatura o Punto de Vaporizacióónn: Temp. Mín. para que Fuel genere

vapores inflamables (en líquidos= temp. cambio fase a p=cte).

Temperatura o Punto de InflamaciTemperatura o Punto de Inflamacióónn: Temp. Mín. para que Fuel genere

concentración de vapores inflamables hasta L.I.I. (p=1 atm), combustión

si hay calor (chispa) si el calor se retira, no hay combustión.

Temperatura de igniciTemperatura de ignicióón o de auton o de auto--igniciignicióón (flash n (flash pointpoint): Temp. Min.

Para que Fuel genere vapores combustión espontánea mantenida.

Calor EspecCalor Especíífico, fico, cc [kJ/kg.K]: Calor necesario ∆T=1 K, sustancia de

masa “m”, sin cambio de estado.

Capacidad calorCapacidad caloríífica, Cfica, C [kJ/K]: Calor necesario ∆T=1 K, sustancia, sin

cambio de estado (C=m ∗ c); Inercia Térmica; varía según la sustancia.


NOMBRE CURSO 13


Calor de fusiCalor de fusióónn: Calor necesario para que materia sólido líquido

(viceversa libera misma cantidad de calor).

Calor de vaporizaciCalor de vaporizacióónn: Calor necesario para que materia líquido

gaseoso (viceversa libera misma cantidad de calor).

Calor de combustiCalor de combustióón (Q*, n (Q*, ∆∆hh*R*R):): Calor liberado en reacción química

estequiométrica de un Fuel con un “oxidante”; (*) T*=298 K , p=1 atm.


NOMBRE CURSO 14


Poder CalorPoder Caloríífico Inferior y Superior (LHV y HHV):fico Inferior y Superior (LHV y HHV): “Máxima energía

disponible por nuestro sistema o procesos referida nuestra referencia

energética (T*)”.

LHV y HHV, se definen partir de la Entalpía de Reacción:

(el H2O no se recupera)

(el H2O se recupera)


NOMBRE CURSO 15


Temperatura de Llama AdiabTemperatura de Llama Adiabáática o de Combustitica o de Combustióón (n (TadTad)):: “Temperatura

que alcanzan los productos durante un proceso de combustión exotérmica si

el reactor o combustor es perfectamente adiabático”


NOMBRE CURSO 16


Para fijar ideas y conceptos, analicemos el caso de simple de la combustión

del Metano (CH4) n=1 y m=4.


NOMBRE CURSO 17


Concepto de Relación Aire/Combustible:


NOMBRE CURSO 18


Concepto de Calor o Entalpía de Reacción (Q*, ∆h*R) del CH4, recordando

primeramente su Ecuación de Combustión:


NOMBRE CURSO 19


Concepto de Poder calorífico Inferior y Superior (LHV y HHV), aplicado al

caso del Metano (CH4):


NOMBRE CURSO 20


Concepto de Temperatura de Llama Adiabática, aplicado al caso del Metano

(CH4), recordando primeramente su Ecuación de Combustión:


NOMBRE CURSO 21



NOMBRE CURSO 22



NOMBRE CURSO 23


La Temperatura de Llama Adiabática (Tad):

Valor ideal condiciones estequiométricas imposibles de conseguir.

Máxima temperatura teórica de proceso adiabático con combustible dado.

Aumenta con el Poder Calorífico del combustible.

Disminuye con la Capacidad Calorífica de los productos de combustión.

Procesos reales no alcanzan jamás Tad debido a:

•

combustión incompleta

•

el exceso de aire diluye los productos

•

pérdidas de calor

•

disociación de productos a altas temperaturas (reacciones endotérmicas)

•

Temperaturas máximas llamas reales 200-300ºC

inferiores a Tad.


NOMBRE CURSO 24


PirólisisDescomposición físico-química de materia orgánica por calor, en ausencia

de medio oxidante (O2) producción sustancias químicamente nuevas,

diferentes del material de partida.

Productos de la Pirólisis: gases, líquidos y residuo carbonoso.

Cantidades relativas de productos dependen de propiedades material de

partida y condiciones de Pirólisis.

Velocidad de Pirólisis y cantidad de material de partida importantes en

concentraciones de gases tóxicos y vapores obtenidos.

En general, metales y vidrios materias no susceptibles de Pirólisis.

CarbonizaciCarbonizacióón, n, Pirólisis extrema cuyo residuo es carbono como residuo. Ej.

Carbón vegetal (“combustión” anaeróbica en el LSI).


NOMBRE CURSO 25


Riesgos para salud: producción de materiales tóxicos o corrosivos.

Inflamación de vapores (incendios accidentales) en aire y fuente de ignición.

Pirólisis anhidra:

quema de sólidos (madera), llamas por combustión de gases de Pirólisis,

no por combustión de la madera.

Coquificación.

Producción de Fuel líquidos (≈ Diesel N°2) por exposición de biomasa sólida

en ∆t ≈ 1 a 2 seg (flash) a temperaturas entre 350 y 500 ºC.

Tratamiento de residuos, reducción de volumen produciendo combustibles:

En presencia de O2, es decir, por incineración;

En ausencia o poco O2 y altas temperaturas: termólisis y gasificación. Entre

400 ºC y 800 ºC. Residuos gases, líquidos y cenizas (Coque de pirólisis).


NOMBRE CURSO 26


Incineración donde O2 < LSI proceso “aire controlado” o “modo pirolítico”.

Países desarrollados, la pirólisis y gasificación ≈ incineración grado de

oxidación formación dioxinas, furanos y otros.

Pirólisis o Termólisis en presencia de H2O: “craqueo” del crudo en vapor.

Pirólisis al vacío: material orgánico reduce punto de ebullición, evitando

reacciones químicas adversas.


NOMBRE CURSO 27


Tetraedro del Fuego

Combustión, Dinámica del Fuego y Extinción dominio y utilización de:

termodinámica, mecánica fluidos, transporte calor y masa, cinética química.

Representación de elementos básicos del fuego y de su extinción.

El fuego no se produce ni se sustenta en ausencia de:

Combustible

Comburente (oxígeno),

Energía de activación (calor)

Reacción en cadena.


NOMBRE CURSO 28


Combustible:Combustible: sustancia que libera energía por combustión controlada o en

determinadas condiciones: sólido (Carbón, Madera, etc.), líquido (Gasolina,

Fuel-Oil, etc.) o gas (Natural, LPG, etc.).

Generalmente los combustibles están compuestos por Carbono (C),

Hidrógeno (H); Azufre (S), Humedad (H2O), Cenizas, etc.

Comburente:Comburente: el oxígeno (O2) del Aire (21% O2 y 79% N2).

Casos: aire enriquecido en O2 ; O2 puro (soldadura, cohetería).

EnergEnergíía de activacia de activacióón: n: elemento desencadena reacción de combustión,

energía (calor) necesaria para que combustible+comburente reaccionen.

Fuel necesitan energía para liberar electrones y compartirlos con los del

oxígeno =“energía de activación”.

ReacciReaccióón en cadena: n en cadena: “factor adicional”, inestabilidad necesaria para hacer

progresar y mantener en el tiempo la reacción comburente-combustible.


NOMBRE CURSO 29


Tipos de FuegoFuegos tipo A:Fuegos tipo A: originados por sólidos.

Fuegos tipo B:Fuegos tipo B: producidos por líquidos y gases inflamables.

Fuegos tipo C:Fuegos tipo C: originados en equipos eléctricos.

Fuegos tipo D:Fuegos tipo D: especiales, por combustión de metales.

Fuegos tipo K: Fuegos tipo K: grasas y aceites.

Mecanismos de Extinción del FuegoExtinción: acto de “agente extintor” sobre uno o varios de los cuatro

elementos del tetraedro del fuego.

Ausencia de uno de los elementos del tetraedro del fuego extinción.

Adecuado análisis de los tipos de fuego agente extintor más adecuado.

Estrategias: Dilución, Sofocación, Enfriamiento e Inhibición Reacción en

Cadena.


NOMBRE CURSO 30


Tipos de Llama

Llama: expresiones sensible de la combustión.

La combustión se produce siempre en fase gaseosa.

Las reacciones de combustión son muy lentas a temperaturas bajas.

Aumentan a altas temperaturas; ≈ 10-7 seg. a temperaturas ≈ 2300 K.

Definición de llama:difícil de definir.

distintas formas de expresión sensible luminosa.

llama: “onda” o frente de reacción en medio gaseoso entran reactivos

salen productos.

También pueden encontrarse sólidos (hollín) o líquidos, según quemado.

llamas concentran el calor, son luminosas (de hidrocarburos poco visibles).

calor recuperado por transporte directo de gases calientes y radiación.


NOMBRE CURSO 31


Dependiendo de la manera que se realiza la mezcla reactiva las llamas se

denominan de: Difusión o bien Premezcla.

Llama de Difusión:En combustión de combustibles líquidos y sólidos y algunos gases.

En Llamas de Difusión, combustible y comburente inicialmente separados.

Combustible y Comburente “difunden” hacia la zona de reacción.

Zona de reacción: delgada capa de reacción química (~ 0,3 a 2 mm)

Ejemplos: llama de una vela, de color amarillo por partículas de carbono

incandescente (combustión muy rica en combustible)

Llamas de difusión de hidrocarburos, suelen ser también " amarillas”.

Quemadores industriales de Fuel sólidos o líquidos llamas de Difusión.

Defecto de "aire" para oxidar este carbono "humo".


NOMBRE CURSO 32


Llamas de Difusión: Laminares y TurbulentasLlamas Laminares:Zona de reacción o frente de llama mezcla ~ estequiométrica.

La mayor parte de luminosidad se ubica donde la mezcla es rica.

Llamas de difusión laminares velocidad de Fuel+Aire es lenta

Ejemplos de llamas laminares:

•

pequeñas fugas de gas

•

alrededor de gotas

•

Vela

•

quemadores de mecha.

Combustión controlada por el mezclado por difusión de los reactantes.


NOMBRE CURSO 33


Rápidas reacciones químicas comparadas con la difusión estado de

“reacción completa”.

La mezcla (difusión) controla el proceso, mezclado de flujos no reactivos, es

muy útil para el estudio de la combustión.

Llamas Turbulentas:Problema modelo de sistemas de combustión

Para combustibles líquidos y sólidos.

Ejemplos:

•

turbina de gas y motores diesel

•

hogares de calderas de carbón pulverizado

•

plumas del escape de cohetes

•

incendios


NOMBRE CURSO 34


Llamas de Premezcla:Para combustibles gaseosos.

Mezcla previo de combustible-aire a temperaturas bajas.

Reacción química por aporte local de calor a la mezcla (chispa)

Reacción local primero y luego se propaga al resto de la mezcla.

Ejemplos: quemador Bunsen, quemador de cocina doméstica.

Llamas premezcla normales (deflagrativas) una onda de combustión

Propagación frente de reacción transporte de calor y difusión de los

radicales libres (reacción en cadena).

Llamas premezcla se propagan a velocidades ≈ m/s, espesor ≈ 0,1 mm.

Frentes de Llama:

•

capa delgada precalentamiento mezcla +capa aún más delgada de reacción.

•

detrás los productos de la combustión, a alta temperatura, sin reacción por

agotado localmente el combustible o el oxidante.


NOMBRE CURSO 35


Llamas de Premezcla: Laminares y TurbulentasLlamas Laminares: frente continuo, bordes bien definidos, gases entrantes

alineado con gases salientes (Bunsen, cocina).Mezcla ≈ estequiométrica.

Llamas Turbulentas: caóticas, ruidosas, flujos alta velocidad, áreas de

quemado. Muy eficientes referido a calor/volumen. Frente fluctuante, con

remolinos. Turbulencias debido a flujo en mezclador la llama misma.


NOMBRE CURSO 36


Penachos

Penacho: columna de gases calientes que se eleva desde un fuego.

También se llama “pluma” (anglicismo, plume), columna de convección,

remolino térmico o columna térmica.

Entrainment de aire frío en la base del fuego.

Aire frío es absorbido por el penacho

Aire frío enfría el penacho en altura.

propagación del fuego por radiación.

Velocidad de propagación baja

Fomentada por el viento.

Penachos gases de combustión de incendios graves daños en bosques.


NOMBRE CURSO 37


Bleve

Bleve: "Boiling Liquid Expanding Vapor Explotion“, del inglés

"Explosión por la expansión de los vapores de los líquidos en ebullición".

Término usado desde 1957 por explosión de recipiente de acero utilizado

para la producción de resina fenólica a partir de la formalina.

Fenómeno estrictamente físico, sin reacción química (calderas).

Bleve explica accidentes ocurridos inexplicados.

En caso de líquidos inflamable, combustible, reactivo, venenoso, tóxico etc.

riesgos aumentan considerablemente.

Bleve: líquido del interior entra en ebullición y se incorpora al vapor en

expansión. Si el vapor es inflamable bola de fuego en expansión.

Bleve: expansión explosiva en toda la masa líquida evaporada súbitamente.


NOMBRE CURSO 38


Efectos de una Bleve:

Sobrepresión por la onda expansiva

Proyección de fragmentos a grandes distancias.

Radiación calorífica de la bola de fuego.

Tres condiciones necesarias para la producción de una Bleve:

En gas licuado o un líquido sobrecalentado, a presión.

Súbita baja de presión en el interior del recipiente (impactos, fisura del

recipiente, actuación de disco de ruptura o válvula de alivio)

condiciones de presión y temperatura nucleación espontánea.


NOMBRE CURSO 39


Indice de Wobbe

Índice de Wobbe: razón entre poder calorífico/m3 de un gas y la raíz

cuadrada de su densidad relativa c/r aire, bajo mismas condiciones (T y p).

Wobbe clasifica combustibles gaseosos.

Wobbe asegurar combustión satisfactoria.

Wobbe mide intercambiabilidad de gases.



Nombre Profesor: Juan‐Carlos ELICERContacto: [email protected]

NOMBRE CURSO: “ELEMENTOS DE COMBUSTION”

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