Combustion y Quemadores

•

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

.... - .

COMBUSTION Y QUEMADORES MANUEL MÁRQUEZ MARTÍNEZ

FICHA CATALOGRÁFICA

Título de la obra:

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES Novaprodúctica núm 1

Autor: © Manuel Márquez Martínez

quez

bustión y quemadores cción: NovaProdúctica. Núm 1 Ñ: 84-267-1364-5 t�ria: 621 (Ingeniería mecánica. Técnica en general). Páginas: 208 mato: 170 x 240

Técnico editorial: Poi Creuheras Coordinador: Caries Parcerisas Civit

© Reservado: todos los derechos de publicación, reproducción, prés­ t�mo, alquiler o cualquier otra forma de de cesión del uso de este eJemplar de la presente edición española por MARCOMBO S.A., 2005 Gran Via de les Corts catalanes, 594

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Consulte nuestro fondo editorial http://www.marcombo.com Descargas adicionales o vínculos relacionados de interés en: http://www.marcombo.com/descarqas ISBN: 84-267-1364-5 Depósito Legal: B-38514-2010 Impresión: Service Point F.M.I., S.A. Impreso en España Printed in Spain

Amigo lector: La obra que usted tiene en sus manos posee un gran valor. En ella, su autor ha vertido conocimientos, experiencia y mucho trabajo. El editor ha procurado una presentación digna de su contenido y está poniendo todo su empeño y recursos para que sea ampliamente difundida, a través de su red de comercialización. Usted puede obtener fotocopias de las páginas del libro para su uso personal. Pero desconfíe y rehúse cualquier ejemplar "pirata" o fotocopia ilegal del mismo porque, de lo contrario, contribuiría al lucro de quienes, consciente o inconscientemente, se aprovechan ilegíti­ mamente del esfuerzo del autor y del editor. La reprografía indiscriminada y la piratería editorial, no sola­ mente son prácticas ilegales, sino que atentan contra la creatividad y contra la difusión de la cultura. PROMUEVA LA CREATIVIDAD RESPETE EL DERECHO DE AUTOR

,

Indice general Índice general............................................................................................ VII Presentación ................................................................................................ XI 1

2

3

Combustibles industriales ..................................................................... 1 1.1

INTRODUCCIÓN ....................................................................... 1

1.2

COMBUSTIBLES SÓLIDOS ..................................................... 2

1.3

COMBUSTIBLES LÍQUIDOS ................................................... 3

1.4

AIRE HÚMEDO .......................................................................... 9

1.5

INTERCAMBIABILIDAD DE LOS COMBUSTIBLES ....... 12

1.6

PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN ................................... 14

1.7

BALANCES TÉRMICOS. ENTALPÍAS ................................ 17

Combustión.......................................................................................... 21 2.1

INTRODUCCIÓN ..................................................................... 21

2.2

REACCIONES DE COMBUSTIÓN Y CÁLCULOS ESTEQUIOMÉTRICOS ........................................................... 21

2.3

TEMPERATURA ADIABÁTICA DE LLAMA. DISOCIACIÓN .......................................................................... 30

2.4

FACTOR DE UTILIZACIÓN DEL CALOR ......................... 30

2.5

PRECALENTAMIENTO DEL AIRE Y DEL COMBUSTIBLE ........................................................................ 33

2.6

PODER CALORÍFICO DEL AIRE ........................................ 35

Mecánica de fluidos aplicada a las instalaciones de combustión..... 39 3.1

INTRODUCCIÓN ..................................................................... 39

CÁLCULOS DE LA PÉRDIDA DE CARGA ......................... 39 3.2 3.2.1 Régimen de derrame ............................................................ 39 Pérdidas de carga en conductos rectos ................................. 40 3.2.2 Pérdidas de carga locales ..................................................... 43 3.2.3 Ejemplos de aplicación de las relaciones de la figura 23 ..... 45 3.2.4

VII

3.3

VENTILADORES Y SOPLANTES ........................ ................. 49 3.4 FLUJO DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUS TIÓN .... 52 3.5 DESCAR GA DE GASES POR ORIFICIOS ................ ........... 53 3.5.1 Velocidad y caudal de descarga ........................................ ... 53 3.5.2 Impulso, impulso específico y coeficiente de atenuación .... 58 3.5.3 Ejemplos de utilización de figuras 28, 29 y 30 ................... . 61 3.6 CHORROS DE GASES EN ATMÓSFERAS TRANQUILAS ................................................................ ........... 65 4 Llamas, clasificación y propiedades ................................ ................... 69 4.1 INTRODUCCIÓN ........................................................ ............. 69 4.2 CLASIFICACIÓN ........................................................ ............. 70 4.3 LLAMAS DE PREMEZCLA ........................................ ........... 70 4.3.1 Límites de inflamabilidad ................................................ .... 71 4.3.2 Temperatura de autoinflamación, energía mínima de inflamación y distancia de extinción ................................ .... 74 4.3.3 Velocidad de propagación de la llama ................................ . 75 4.3.4 Forma y longitud de la llama ............................................... 79 4.3.5 Estabilidad........................................................................ .... 79 4.4 LLAMAS DE DIFUSIÓN ................................................ ......... 82 4.4.1 Longitud de llamas difusionales ........................................ .. 86 4.4.2 Caso de fases condensadas................................................ ... 88 5 Quemadores ................................................................ ......................... 91 5.1 INTRODUCCIÓN ................................................................ ..... 91 5.2 QUEMADORES INDUSTRIALES DE GAS ................ .......... 91 5.2.1 Criterios de selección ........................................................ ... 91 5.2.2 Clasificación........................................................................ . 92 5.2.3 Quemadores de premezcla ................................................ ... 92 5.2.4 Quemadores de mezcla en boca de salida con aire a baja presión ................................................................................ 103 5.2.5 Quemadores de mezcla en la boca de salida y aire a presión ........................................................................ ..... 115 5.2.6 Quemadores especiales ...................................................... 122 5.2.7 Quemadores para altas temperaturas............................... ... 125 VIII

5.3 QUEMADORES PARA COMBUSTIBLES LÍQUIDOS .... 126 Quemadores de gasificación .............................................. 128 5 .3 .1 Quemadores de pulverización por aire a baja presión:······ 129 .2 5.3 Quemadores de pulverización por aire o vapor a presión .. 129 5.3.3 Quemadores de pulverización mecánica............................ 131 5.3.4 Quemadores de copa rotativa (pulverización centrífuga) .. 131 5.3.5 Quemadores de pulverización mixta (mecánica Y 5.3.6 fluido de arrastre) ................................................ ··· ·· ··· ·· ·· ... 13 1 Quemadores especiales ...................................................... 133 5.3.7 Tratamiento previo del combustible .................................. 135 5.3.8 QUEMADORES PARA COMBUSTIBLES SÓLIDOS ....... 136 5.4 Quemadores de carbón pulverizado ................................... 136 5.4.1 Cámaras de combustión tipo ciclón ................................... 137 5.4.2 Lechos fluidizados ............................................................. 138 5.4.3 5.4.4 Parrillas .............................................................................. 139 6

Control de la combustión y controles de seguridad ........................ 141 6.1

INTRODUCCIÓN ................................................................... 141

6.2

CONTROL DE LA COMBUSTIÓN ..................................... 141

6.3 CONTROL DE CAUDAL DE COMBUSTIBLE ................. 142 Combustibles gaseosos ...................................................... 142 6.3.1 6.3.2 Combustibles líquidos ........................................................ 143 Combustibles sólidos ......................................................... 144 6.3.3 6.3 .4 Mezcla de combustibles ..................................................... 145 6.4

CONTROL DEL CAUDAL DE AIRE................................... 146

6.5 Formas de realización del control........................................... 148 6.5.1 Control mecánico ............................................................... 148 Control por presión ............................................................ 149 652 Control por caudal.. ............................................................ 15� 6:5:3 Control electrónico............................................................. 15 6.5.4 Control de la presión en el hogar ....................................... 151 6.5.5 Control de los contaminantes ............................................. 153 6.5.6 6.6 CONTROL DE LA SEGURIDAD ......................................... 154 Válvula de cierre rápido automático .................................. 154 6.6.1 6.6.2 Válvulas de supervisión ..................................................... 157 Dispositivos de vigilancia de llama ................................... 157 6.6.3

IX

6.6.4 6.6.5 7

8

Sistemas de encendido ....................................................... 158 Sistemas de operación automática ..................................... 158

Transmisión de calor ........................................................................ 161 7.1

INTRODUCCIÓN ................................................................... 161

7.2

LA ECUACIÓN GENERAL DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR............................................................................... 161

7.3

COEFICIENTES PELICULARES DE LA CONVECCIÓN ........................................................................ 165

7.4

RADIACIÓN ............................................................................ 168

7.5

LA TRANSMISIÓN DE CALOR EN LAS CÁMARAS DE COMBUSTIÓN ................................................................. 171

7.6

CÁLCULO DE LA TEMPERATURA MÁXIMA DE UN FLUIDO CALENTADO EN UN HOGAR ............................ 173

7.7

RECUPERACIÓN DEL CALOR .......................................... 178

Aplicaciones especiales de la combustión ........................................ 180 8.1

INTRODUCCIÓN ................................................................... 180

8.2

UTILIZACIÓN DIRECTA DE PRODUCTOS DE COMBUSTIÓN EN EL SECADO ......................................... 180

8.3

POSTCOMBUSTIÓN E INCINERACIÓN DE RESIDUOS ............................................................................... 183

8.4

COMBUSTIÓN SUMERGIDA .............................................. 185

8.5

COMBUSTIÓN A PRESIÓN ................................................. 189

8.6

GENERACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA (ELÉCTRICA) ......................................................................... 190

8.7

CÁLCULOS EXERGÉTICOS ............................................... 192

8.8

PILAS DE COMBUSTIBLE .................................................. 193

Presentación

a partir de la La estr uctura y contenido de este texto se han determinado de post­ experiencia del autor en el desarrollo del mismo tema en cursos grado. de A pesar de que una exposición escrita permitía abordar aspectos teóricos ­ muchos de los temas tratados, se ha querido mantener un carácter pragmá del inte­ tico en su desarrollo, ya que son las aplicaciones prácticas el centro rés que se supone en el público al que va dirigido el texto. Este enfoque justifica que se hayan incluido en el texto capítulos de trans­ misión de calor y aplicaciones específicas de la combustión y, junto con ello, que se aporten datos numéricos, tablas, ábacos y ejemplos numéricos ilustrativos. Este equilibrio, elegido conscientemente, entre una exposición puramente teórica o un prontuario o formulario esencialmente práctico, obliga a dar entrada a conceptos teóricos y desarrollos sólo hasta el punto en que son necesarios para su aplicación. En todo el texto se ha hecho uso exclusivo del SI y ello pudiera juzgarse estar en contradicción con el carácter pragmático a que antes se ha hecho alusión, toda vez que, especialmente en la temática aquí abordada, siguen utilizándose las unidades llamadas obsoletas, pero que siguen sin serlo, ya que en la industria se utilizan corrientemente los milímetros de columna de agua, las calorías, las kilocalorías y las termias. A ninguna de ellas se les ha dado entrada, precisamente para contribuir a su destierro definitivo.

B 1·bt·wgra,I': J ia................................................................................................ 195

X

XI

COMBUSTIBLES INDUSTRIALES

1 Combustibles industriales 1.1 INTRODUCCIÓN Con el nombre de combustibles se designan las sustancias utilizadas para obtener calor. Según sea el estado físico de esas sustancias, los combustibles se clasifican en sólidos, líquidos o gaseosos. De la definición anterior se desprende que la propiedad fundamental de las sustancias combustibles es su poder calorífico, es decir, la cantidad de calor que puede desarrollarse por la combustión de la unidad de combustible (1 kg, 1 m3, etc.). Precisamente esta propiedad permite expresar las cantidades de energía en unidades equivalentes de combustible. En la figura 1 se da una relación de distintas unidades energéticas, expresando su equivalencia en julios. Factor'de

vnídad

Símbolo tep m 3 petróleo

Tonelada equivalente de petróleo

:>(Onvef'Siórí,

kJ

4,1868.107

Metro cúbico de petróleo

3,7.107

Tonelada equivalente de carbón

2,9.107

bbl

Barril equivalente de petróleo

5,9.10'

tet

Tonelada equivalente de trilita

4,2.106

tec

therm

100000 BTU

m 3 g.n.

Metro cúbico equivalente de

termia

1 000 kcal

gas natural

1,055.10 5 3,8.HJ' 3

4,1868. 10

kWh

Kilowatiowhora

HP-h

Caballo de vapor-hora

2,648.10 3

cf

Pie cúbico equivalente de gas natural

1,05.103

MI

Megajulio

1,00.10 3

kcal

Kilocaloría

4,1868

8TU

8ritish thermalunit

3,6 .103

1,055

Figura 1. Unidades energéticas habituales y sus equivalencias en kilojulios (k]). Para pasar de una unidad a otra, se relacionan sus factores de conversión respectivos.

1

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

COMBUSTIBLES INDUSTRIALES

l.2 COMBUSTIBLES SÓLIDOS El carbón (con sus variantes), la leña (bio masa), los residuos sólidos etc ' ., son representantes típicos de combustibl es sólidos.

Compc11,"i0f! QUÍmCQ dlf [Q mattm;1 Ot'g,in11:a ·1�

llo!ÓIJ!t>:s sabre OI gón1to

v.

mesa

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20

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En la figura 2 se dan valores indicativos del poder calorífico de algunos tipos de carbón. El poder calorífico de los carbones depende de su compo­ sición. Existen reglas empíricas, como la de Mendeleyev que permiten aproximar dicho valor a partir del análisis elemental y su contenido de humedad. Así, prescindiendo de los inertes, el poder calorífico se calcula por: •t, Voldlilci.

··-·-------

H 1 =0,34.C+1,03 H-0,11 (0-5)-0,025 W

--

,..,

•t• HUrrn:dad

obteniéndose el poder calorífico inferior en MJ/kg, conociendo los porcenta­ jes de carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y agua, respectivamente.

1--Q_¡.

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1.3 COMBUSTIBLES LÍQUIDOS

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C01 max.

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lt-Ctos� ga,s . lTf·Groso JV�Coquilícabt,r

35• 44 25•35 10·26

i u ra 2- Carac ístíca s de los combustibles sólid os. Clases de hulla. I: llama larga'-II: gas,ijica¿1 � . w. e, ll1· grasa , IV: coquífica ble.

2

Aunque el carbón desempeñó en su día el papel primordial entre todos los combustibles, hoy en día ha sido desplazado por los combustibles líquidos y gaseosos. Sin embargo, como las reservas de carbón siguen siendo las más importantes de todos los combustibles (con excepción de los nuclea­ res), van cobrando importancia las nuevas tecnologías de hidrogenación y gasificación, que permiten obtener combustibles líquidos y gaseosos a par­ tir de aquella forma sólida.

Dejando aparte el uso como combustible de alcoholes (metano!, etc.), los combustibles líquidos más usuales son los derivados del petróleo. Prescin­ diendo de los carburantes (gasolina), y los combustibles para motores (die­ se! y queroseno), las fracciones del petróleo usadas como combustibles propiamente dicho son el gasóleo y el fuel-oiL 0

API

SG

o

5

10

15

20

25

30

35

1,076 1,037 1,000 0,966 0,93, 0,904 0,876 0,850

%Azuf.

2,95

2,35

1,80

1,35

1,00

0,70

0,40

0,30

O/o Inertes

1 1 15

1,00

0,95

0,85

0,75

0,70

0,65

0,60

OH

Hs MJ/kg HjMJ/kg

81 5 8,06 7,69 7,65 7,17 6,79 6,50 5 41,17 41,84 42,54 43,22 43,89 44,52 45,08 45,54 39,12 39,68 40,26 40,82 4'1,36 41,89 42,36 42,75 8,80

Figura 3. Clasificación de los combustibles líquidos de refinerías, según API.

3

COMBUSTIBLES INDUSTRIALES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

Como las distintas fracciones petrolíferas contienen gran cantidad de espe­ cies químicas, resulta improcedente intentar caracterizar cada fracción por su composición. El factor de caracterización más importante para designar una fracción petrolífera es la masa volúmica o densidad. Para ello se em­ plean los grados API, definidos por: ºAPI=

141,5 5G

y

-131,5

5G =

En la figura 4 se recoge un gráfico que permite determinar la viscosidad de un aceite en función de la temperatura.

E

Viscosidad máximo

141,5

Bombe:o

106m6s .e

131,5 + 0 API

1 a 10

siendo SG la densidad relativa de la sustancia con respecto al agua, medi­ das ambas a 50 ºF (15 ºC). Las fracciones petrolíferas son fundamentalmen­ te mezclas de hidrocarburos, y según sea su masa volúmica o º API, variará la relación másica de carbono-hidrogeno. También un tercer componente, el azufre, se halla en mayor proporción en las fracciones pesadas. El American Petroleum Institute, ha propuesto una serie de fracciones pe­ trolíferas con distintos º API, que abarca los posibles tipos de combustibles de refinería. En la figura 3 se reproduce esa clasificación adaptada a unida­ des SI. Otra propiedad importante de los combustibles líquidos es la viscosidad, ya que de ella depende la facilidad de transporte por tubería y la de pulve­ rización necesaria para la combustión. Se distingue entre viscosidad diná­ mica y viscosidad cinemática, que es la anterior dividida por la masa vo­ lúmica del fluido. Es corriente el uso de unidades convencionales, como los grados Engler, o los segundos Saybolt. A partir de los grados Engler (º E) puede determinarse la viscosidad cinemática en centistokes mediante: v=8(0 E)v=7,6 (º El-

8,64 (º E)

(º El

r

para

1,35< 0 E

El caudal másico del chorro en la zona de semejanza puede calculars aproximadamente por: m

=0,32.

de rotación n que es un número adimensional definido por la relaa· d 1 erza , , d 1 momento del impulso tangencial con el producto del ra 10 e d 1 , . t on e 'yector por el impulso axial. En estos chorros el cau a mas1co aumen a

4 = 0,32[(~J + 2,2.9] ~ m d; ~Po

FEPo

X

d,

0

Cuando el chorro procedente de un inyector penetra en un tubo de mezcla/ induce gas de la atmósfera (aire) en el interior del tubo, y el caudal másico'. total es:

m

Rotación

mo

Rotación

13

=K.

5!:_ d,

í§._

con K=

Po

0,32 2

12

tg %

Y'=

1,5

.J' =0,9

Chorro libre

9

7

Tal como se visualiza en la figura 33, se considera que a partir de un tramo de seis diámetros del tubo de mezcla, se alcanza en el chorro una concentración homogénea.

5

3

::,(

5

1

a)

b)

e)

15

20

25

30

Figura 35. En los chorros giratorios se incrementa la masa arrastrada por el fluido inductor, tanto más cuanto mayor sea la intensidad de rotación. La relación de masa total a masa zn_~uctora de chorros con distinta intensidad de rotación comparada con la de un chorro sm rotacwn.

:;)

~

10

d;

d)

Figura 34. Los chorros modifican su perfil de velocidades por efecto de la rotación. En a) no existe rotación; en b) hay una rotación ligera que hace aumentar la velocidad periférica y deprime la central; en c) se alcanza el umbral crítico, anulándose la velocidad en el centro; en d) el estado es supercrítico, con inversión de velocidades en el centro.

Cuando se imprime al fluido una rotación se consiguen los chorros giratorios, cuyo perfil de velocidades se visualiza en la figura 34, según sea la

66

67

LLAMAS, CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

4 Llamas, clasificación y propiedades

4.1 INTRODUCCIÓN La llama es la zona o región en la que tiene lugar la reacción de combustión entre el gas combustible y el gas comburente.

Pantalla

Domo

Copa

Cono

Figura 36. Efecto Coanda en distintos perfiles de pared. Este efecto se consigue mediante chorros giratorios que traba¡an en condiciones supercríticas; el derrame tiene lugar como si el fluido resbalase por las paredes.

Cuan~o se alcanza el umbral crítico, el derrame puede pegarse a la pared de salida (efecto Coanda), todo lo cual se utiliza ventajosamente en el diseño de quemadores.

Como esta reacción va acompañada de desarrollo de calor, los gases producidos adquieren temperaturas elevadas, con lo que emiten radiación en parte luminosa. De ahí que una de las acepciones de llama es precisamente la masa de gases incandescentes producidos por la combustión. Volviendo a la definición dada en primer lugar, la localización de la reacción, que en sí es un proceso dinámico, puede ser o no estacionaria, lo cual sólo tiene sentido si se definen previamente unas coordenadas de referencia. Si el sistema de referencia es, por ejemplo, la mezcla de combustible y comburente, una vez iniciada la reacción (por una chispa, por ejemplo) ésta se propaga hacia la mezcla fresca con una velocidad que se suele designar como velocidad de propagación de la llama; si a esta mezcla fresca se le imprime una velocidad igual y de signo contrario, la llama aparecerá fija con respecto al sistema de referencia en relación al cual se mueven aquellos gases, por ejemplo, la boca de salida de un mechero de Bunsen. En el estudio teórico de estos procesos se distinguen dos mecanismos posibles: la deflagración y la detonación, que pueden definirse como procesos en los que la reacción química está soportada por ondas subsónicas en el primer caso, y por supersónicas en el segundo. Todo el desarrollo que se expondrá a continuación se refiere a procesos de deflagración, porque la detonación es un fenómeno inusual, o incluso inexistente, para ciertos gases como el gas natural. Muchas de las propiedades de los combustibles se refieren, en realidad, a su mezcla con un comburente (como la velocidad de propagación de la llama, antes definida), por lo que se describirán en el estudio de las llama de premezcla, y por esta razón estas llamas son las que se tratarán en primer lugar.

68

69

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

LLAMAS, CLASIFICACIÓN y PROPIEDADES

4.2 CLASIFICACIÓN

e

Según que la aportación de combustible a la llama se realice previamJ mezclado con mayor o menor cantidad de aire o en forma pura, las lla ·· se denominan de premezcla o de difusión. Unas y otras pueden ser laminares o turbulentas, según el régimen dé d. carga del combustible. Se estudiarán preferentemente las llamas de co· bustibles gaseosos (o de la fase vaporizada de los líquidos), dejando.¡ problemas específicos de la reacción heterogénea que supone la comb tión de fases condensadas para ser tratados en el capítulo de quemadores>,

ites de inflamabilidad

1m

. b us t·b]e son adecuadas para la combustión. Parad cada 1 . · esdemre-com 1s Js las proporc10n , . . fl b T dad el inferior y el superior, fuera e o ,,e- tible existen unos hm1tes de m ama I I , 5 bustión no es posible. fo com , . nos ases y vapores usuales, así como para alfigura 37 se dan esos limites para dalgu 1 ~arse a partir de los valores de cada commezcl uºS . Los límites de estas pue. en ca cu do la regla de Le Chateher: . ap l1can 1 Lm= X·

I:-J

l¡

4.3 LLAMAS DE PREMEZCLA Como su nombre indica, el combustible se aporta mezclado con mayor menor cantidad de aire, que se designa como aire primario. La cantidad dé, éste se suele referir a la del aire estequiométrico o aire mínimo necesario para la combustión, es decir, con el valor del parámetro a ya definido. Si la premezcla contiene todo el aire necesario, se dice que se trata de premezcla. total y, en caso contrario, se habla de premezcla parcial.

., olar (o en volumen) del componente j, L¡ su límite de ~ndo X, la fracc10n ~ . ) L el límite (inferior o superior) de la amabilidad (mfenor o supenor Y m

r

·1.mas ~ ªº inute

s•,.o'l

-----------7H2

70

LímUe%

60

Gas o vapor

Inferior

H,

4

75

CH 4

12,5 5

74,2 15

40

C2Hr, C3Ha

3 2,1

12,4

30

CiH,o CsH12

2

7,6

1,4

7,8

C6H6

1,3

7,9

C2H2

2,3

82,0

C2H4

3

17,7

Gas de gasógeno

16

64

Gas de coquería

5

33

co

Superior 50

e, / >···?' ,/ ~-,,,,,. ¾' ..... .,.,,, /' / ... -·· .• L/'"-:.-;/_... .···' / /.... -·· .. . · ~-)

Ct

9,5

Figura 37. Límites de injlamabilidad de mezclas de gas-aire a 20ºC y presión atmosférica. En una atmósfera homogénea de gas metano en aire, solo se dan condiciones de injlamabilidad si la proporción de metano se halla comprendida entre el 5 y el 15%.

70

NITRÓGENO

,

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10

C3

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21 .,. lnert,:

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. ·tr' eno en los límites de injlamabilidad de los gases Figura 38. Influencia de la presencia de nz ogt . ·trógeno que contenga 4 partes de este por . . , . lo una mezcla de me ano m , indicados. As,, por e¡emp ' _ . ,, . °/4 y el 25 % respectivamente. 1 38 1 de metano tiene por límites superwr e m;erwr, e º '

71

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

LLAMAS, CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES

La presencia de gases inertes altera el valor de esos límites; la influencia de los gases inertes usualmente utilizados, N2, C02 y HzO se visualiza en las· figuras 38,39 y 40, respectivamente. Los siguientes ejemplos ilustran la metodología de cálculo.

•¡,

Gas 80 mós intrtc:

co

--..

70

I

'º ¼ ~os 80 mes

I

50

20

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15 .,.

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20 .,.

C3

,-?-_ ,,-;..-·J-··J·-:,c, ,;::,1,::-·· / / .. -·· >::/ ., // ./...... -·· _...·;:,,,jf.: ....... ··

L----+----+------t--~

15 •¡.

s

O

10

15

21 •1, IMrtc

Go,

,_ ....:::,-·

20 •1.

O " ' - - - - - 5 t - - - - - - , , 0_ _ _ _ _1,_5_ _ 1n.J.1:rt2c:1 •1.

Ga5

Figura 39. Influencia de la presencia de dióxido de carbono en los límites de inflamabilidad de los gases indicados. La figura es análoga a la 38. Se entiende que las mezclas que caen Juera de las líneas trazadas no son inflamables.

Ejemplo: Determinar los límites de inflamabilidad de un gas que tiene por composición en volumen: Hidrógeno, 20%; metano, 30%; etano, 20 %; etileno, 30 %.

Solución

Figura 40. Influencia del vapor de agua en los límites de inflamabilidad de los tres gases indicados.

gas

e,

e,

1

0,03

-

o

0,76

-

1

0,79

'

.

e, e, e, e,

o Total

To-

Disección

Inerte

Camponentc

CO.,.

.

L;

L,

22,5

tal

N, 0,03

0,06

10

-

-

0,76

5

75

O,o-J

0,0-1

0,02

6

18

0,16

-

-

0,16

3

12,4

0,17

0,01

0,03

Aplicando a la fórmula de Le Chatelier los límites de la figura 37: 1 0,20 4,0

L,

0,30

-

5,0

+

0,20

-

3

+

0,30

0,2

+

0,30

-

15

+

0,20

-

12,4

+

0,30

-

17,7

Ejemplo: Un gas natural tiene por composición: Me'.ano, 79%; etano, 17 %; C02,1 º/o; N,, 3 %. Calcular sus límites de inflamab1hdad.

Solución

3

1 75

72

+

~3,6%

1'«$17,9%

Como hay inertes, en lugar de la figura 37 se trabaja con las 3~ y 39. Para ello el gas se divide arbitrariamente en los gases de la tabla situada en la página anterior:

73

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

L;

1 0,06

-

10

L,

LLAMAS, CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES

+

0,76 5

+

0,02 6

0,16

4,6

+ -

3

El fenómeno tiene aplicación práctica para evitar la propagación de llamas mediante rejillas u otros dispositivos (mechero Mecker).

1 0,06 22,5

+

0,76 15

+

0,02 18

+

0,16

s con lo que se interrumpen las reacciones en cadena. La distancia desde 1 lama, .. d · ·• la pared a la que se deja sentir ese efecto se conoce como distancia e extinc1on y su valor para todos los gases combustibles es del orden de 0,5 mm.

14,8

12,4 T

4.3.2 Temperatura de autoinfiamación, energía mínima de inflamación y distancia de extinción

JL ______

----7-~---,

T¡ - - - -

El valor de la temperatura de autoinflamación depende del método de ensayo. Según DIN 51794, para mezclas estequiométricas de gas-aire a presión atmosférica se obtienen los valores de la figura 41.

1

Combustible

Temperatura °C

H,

400

~&__..J

co

605

CH 4

537

C2H6

515

C3H8

450

n C5H12

260

n C8 H18

210

C6 H6

555

Figura 41. Temperatura de autoinjlamación de algunos gases y vapores. Los valores corresponden a ensayos según DIN 51794.

La energía mínima de inflamación es la que hay que aportar a una mezcla inflamable para que tenga lugar el fenómeno. Depende de la proporción de mezcla gas aire y del contenido de oxígeno. La energía mínima corresponde, naturalmente, a las proporciones estequiométricas y, por ejemplo, para el metano-aire es del orden de los 7.10 4 J. En las proximidades de grandes masas sólidas no pueden tener lugar las reacciones de combustión, porque aquellas absorben y conducen el calor de las

74

1 1

1

1

Zona 1

Zona 2

X

Figura 42. Modelo de Mayard-Le Chatelier. La premezcla avanza de izquierda a derecha según el eje O,. Se distinguen dos zonas I y II.

4.3.3 Velocidad de propagación de la llama La velocidad de llama de las llamas laminares puede estudiarse con el modelo de Mallard Le Chatelier (figura 42). En él se establece que el calor necesario para alcanzar la temperatura de ignición T¡, en la frontera de I Y II viene aportado por la zona II: T,-T; Como

i'i

m= p. A. u,

siendo, en régimen estacionario, valor de o es:

UL

.A

la velocidad de llama. Se deduce que el

75

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

LLAMAS, CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES

«

. 43 y 43 bis se dan valores de UL para algunos gases. as figuras Valor en

k

siendo a la difusividad térmica

Gas

u,

estequiométrica

H,

3,46

2,37

CO (seco)

0,2

0,18

CH4 C,Ha

0,43

0,42

0,47

0,46

C4 H1 o

0,45

0,43

Gas ciudad

0,8

0,75

Gas de agua

1,19

0,95

Los hidrocarburos tienen valores de UL del orden de los 0,4 m/s, y con res de a a 1.300 K del orden de los 400.10·6 m 2/s, se tiene: 400.10-ó

º"' --~4. 101

=100. 1Q-5a,10-3 m=1 mm

Se comprueba así la concordancia con los valores experimentales. Otros modelos más elaborados, como el de Zeldovich, Frank-Kamenetskii Semenov, llegan a estos mismos resultados. La velocidad de llama es objeto de estudio experimental usando principal mente los métodos conocidos por:

•

Llamas cónicas estacionarias en tubos cilíndricos .

•

Llamas dentro de tubos .

•

mezcla

Valor máximo

,

.

., de la llama en regmzen de la velocidad de propagaczon . laminar Para mezclas °Figura 43. a ores d / y dependen de la proporción gas-azre. de gas-aire. Los valores se an en m s Vi l

50

Ui,

Cm/s

Método de la burbuja de jabón. 45

•

Explosión a volumen constante en recipiente esférico .

•

Métodos de llama plana . 40

Estos métodos sólo se mencionan para dejar constancia de su variedad. El efecto de la temperatura es doble, ya que tiene influencia en la velocidad de reacción (energía de activación) y en la difusividad, la cual altera propor1 75 cionalmente a T , • Existen fórmulas empíricas que dan una dependencia global de T2•

35

u, =0,45. 10-5. T2 + 0,06

25

El efecto de la presión sobre la velocidad de propagación es UL z p"·2, siendo n el orden global de reacción. Como éste está comprendido entre 1,5 y 2, la velocidad puede bajar con la presión, como se pone de manifiesto empíricamente.

30

1.0

1,1

1,2

1,3

c,c::

5

Figura 43 bis. Velocidad de llama a 20e, Y 1ªtm enfunción de CIC~,.

76

77

LLAMAS, CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

El valor de C/C,st está relacionado con el de a por:

4.3.4 Forma y longitud de la llama

C/Cest = (1 + Am)/(1 + aAm) Los valores de Ces, y de Am para cada combustible son:

En las llamas de premezcla se observa un cono interno cuya superficie constituye el frente de llama en el que tiene lugar la reacción del aire primario con la parte de combustible correspondiente; si la premezcla es total, la reacción acaba ahí, pero en caso contrario, el resto de combustible sigue quemando en el llamado cono externo tomando aire (secundario) del exterior por difusión.

e,

C2

e,

e,

Ces/

9,5

5,66

4,03

3,13

Am

9,52

16,66

23,80

30,94

El estudio teórico de las llamas turbulentas es complicado y se halla aún muy incompleto debido, fundamentalmente, a que no existe una modelización hidrodinámica de este flujo. Por tanto, simplificando al máximo, puede decirse: •

La velocidad de deflagración turbulenta UT es mayor que UL

•

El valor de uT aumenta al aumentar la turbulencia por encima de la llama. Muchos autores dicen que el aumento es lineal.

• En llamas abiertas, la variación de UT con la composición es muy similar a la de UL, y tiene un máximo próximo al estequiométrico. Muchos autores estudian las variaciones en función de u·r/uL.

La longitud de la llama se calcula asimilándola al cono interior. Si se tiene en cuenta que el ángulo del cono es pequeño, la condición de estabilidad da (siendo L la altura del cono, r el radio de la boca de salida y u, la velocidad media):

u u, con lo

que:

=

L =r.

L r

u u,

Oh·os modelos que tienen en cuenta el perfil de velocidades llegan al resultado de:

Por ejemplo: Ur

= 0,18. cf',2,. Reü-'•

siendo d el diámetro de la boca de salida. Una complicación inicial reside ya en la propia definición de UT. En la literatura se suele definir por el consumo másico de combustible dividido por el área de la llama y la densidad de los gases no quemados. Pero también la definición del área entraña dificultades, ya que existen marcadas diferencias entre el área "interna" y la externa al frente de llama.

78

En general, el cono interno tiene color azul, de ahí su nombre de cono azul debido a la presencia de radicales OH. Pero en mezclas con poco aire la tonalidad es verde.

4 u L= - r. 3 u,

En la práctica se encuentran valores comprendidos entre ambos.

4.3.5 Estabilidad Aunque la proporción de mezcla de gas-aire se halle dentro de los límites de inflamabilidad, no siempre se consiguen llamas estables. 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, disminuyéndola puede retroceder y llegar incluso a prender en el inyector (en un quemador tipo Bunsen).

79

LLAMAS, CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

En la figura 44 se plantean tres situaciones posibles de los perfiles• velocidades en la boca de salida de un quemador. La salida de gases la boca tiene un perfil de velocidades que también es nulo en la pare crece hacia el centro del orificio (aproximadamente el perfil de /. dibuja recto pero es parabólico). En el caso a) la velocidad UL supera la' con lo que habrá retroceso; en el caso c), por el contrario, hah desprendimiento; el caso b) corresponde a situación estable.

u

u

a sigue prendida. De hecho, se pueden calcular, aden:'ás _d~ _I~ dis. d xti·nción dos nuevas distancias, llamadas de mh1b1c10n de :c1aee ' , de llama y de inhibición del soplado, dentro de cuyos margenes rno f · ¡· ¡ tiene estabilidad completa. En la figura 44 este e ecto se v1Sua iza con as s posiciones extremas de las curvas de trazos en el caso b ). n el estudio experimental del fenómeno se dibujan diagramas de estabili·td, como el de la figura 45, en el que, además de las cur~~~ de despren:;. · t retroceso también se han trazado las de apanc10n de puntas , . . 1m1en o y ir,arillas y de formación de CO, propias de combustiones incompletas.

u

u

u

I I

u

,

1 1

//.;J J /

1 1

a)

/ 1

1

1

1 Distorn;ia

Desprendimiento

cl,stoncio d"

,nhibieiOll rttorno otinclón

1 Dlstoncio de- inhib,ción d0,pr,:nd1m1ento

b)

el

Figura 44. El efecto pared (distancia de extinción) explica que el perfil de las velocidades de llama parta de cero a esa distancia y alcance rápidamente su valor UL •. etroceso

Debido al efecto de la pared, como ya se dijo, existe una distancia de extinción de llama I en la que no puede tener lugar la reacción y en la que la velocidad de propagación de llama es, por tanto, nula. La velocidad de salida de gases adopta un perfil de tipo parabólico, de modo que la velocidad local crece desde o en la pared hasta un máximo en el eje. En el caso a) la velocidad de propagación supera la de salida de gases, con lo que el frente de llama retrocede; en el caso b) se igualan ambos valores, y la llama se estabiliza; en el caso c) la velocidad de salida supera a la de propagación, con lo que la llama se desprende. El fenómeno no es tan simple como se ha expuesto, ya que existen fenómenos superpuestos: cuando la llama tiende a elevarse, por ejemplo, se altera el perfil de m, varía la posición de la distancia de extinción y la

Figura 45. Representación experimental de los límites de soplado y retroceso en función de la aireación y el caudal. La zona de llamas estables también se limita con las curvas de higiene de la combustión (CO!CO,) y con la aparición del fenómeno de puntas amanllas (carbono incandescente).

En la figura 46 se dan fórmulas que permiten calcu_lar las velocidades límite de desprendimiento y retroceso. En las figuras 46 bis y 46 tris se representan

81

80

LLAMAS, CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

diagramas de estabilidad de llamas de metano y propano, en los que se lee el gradiente de velocidad en función de la aireación. Un sistema utilizado para evitar fenómenos de desprendimiento es el uso de las llamadas llamas de retención, tal como se representan en la figura 55 del capítulo siguiente. Al estar formadas por gas a menor velocidad, ellas mismas son estables, y favorecen la retención de la llama principal por una doble circunstancia: en primer lugar transmiten calor a la base de la llama, con lo que aumenta la velocidad de propagación; además desempeñan el papel de llamas piloto, con lo que resuelven problemas de extinción por soplado. En cuanto a las llamas turbulentas, los problemas de estabilización son más complejos, ya que si bien la velocidad de propagación de la llama alcanza valores del orden de los metros por segundo, en algunos quemadores (turbojet) las velocidades de la mezcla son del orden de los 50 m/s. En estos casos, la estabilización se asegura mediante la recirculación de los productos de combustión o intercalando obstáculos, como se esquematiza en la figura 47.

1/s 10000

g 8000 Desprendimiento

Región de llamas 4000

estables

20001000 800

400 Retroceso 200

l

00

0,4

0,8

1,2

1,6

2,U

2,8

3,2

C/C,,

Figura 46 bis. Diagrama de estabilidad de llamas de metano, con los límites de gradiente de velocidad en función de la relación de concentración de combustible/aire.

4.4 LLAMAS DE DIFUSIÓN

1/s 20000

A diferencia de las llamas de premezcla, en las que el combustible y el oxidante se mezclan antes de llegara la zona de llama, existen sistemas en los que la fase de mezcla es lenta comparada con la velocidad de reacción, con lo que aquel proceso es la etapa controlante. Se desarrollan así las llamadas llamas de difusión, en las que el combustible puede ser un gas, una fase condensada (líquido o sólido) y el oxidante puede ser un gasf luyente o una atmósfera en reposo. La característica específica de la llama de difusión es que la velocidad de combustión está determinada por la velocidad de mezcla. Como la difusión varía con la presión y la velocidad de combustión varía con el cuadrado de la presión, a presiones muy bajas, aunque el combustible y el oxidante lleguen en corrientes separadas, la llama no se distingue de la de premezcla.

s 10000

Desprendimiento

8000-

Región de llamas cstDblcs

40002000

1000 800

Retroceso 400

200 100

OA

0,8

1,2

1,6

2,0

2,4

,. C/C,-.,

:i,2

Figura 46 tris. Diagrama de estabilidad de llamas de propano. Análoga a la figura anterior.

82

83

LLAMAS, CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

Valores límite en la boca del quemador

=-¡--··

A. Velocidades máximas (mis) para evit.ar desprendimiento

d, ;:i;0,02 m

U ;:i; 250.

.

f. d,. 1 0l,2511,J-al

.

1

f depende de la relación

espesor/diámetro e Id

eld

f

0,5 1,0 3,0

0,5 0,6 0,8 1,0

00 '

0,020,05

u ;:.;32,77. d,º·25 log

16 7 ' (1 +aAmín)(1-1,5 dJ 20

Figura 47. La estabilidad de llamas turbulentas se consigue mediante la interposición de obstáculos que obligan a las venas de gases calientes a aportar calor hacia la base de la llama.

La forma del chorro de gas laminar depende sólo de la cantidad de aire suministrado. Si éste fluye en una corona concéntrica al chorro de gas central en exceso a la tasa estequiométrica, la llama adquiere la forma cerrada y alargada. Lo mismo sucede si el chorro descarga en una atmósfera tranquila. Las llamas se llaman sobreventiladas. Si, por el contrario, el aire se suministra en defecto, se forma una llama subventilada en forma de abanico.

(1 + aAm,n)(1 + 2,2 d,)

B. Velocidades mínimas (mis) para evit.ar retroceso

Longitud de

la llama

• En hid_rocarbursos no ha[¡ límite desde a· 0 .... 0,75 A partir de a, =0,75 ,,, 1, a velocidad límite va creciendo. Como valor de seguridad puede tomarse:

u,e;:;100 d, .... 150 d,

tF1m1ento !'otencias térmicas máximas admisibles para evit.ar desprenq, =K. e4,o717 --a> para a=0,35 ,,,, 0,70 Valores de K en Wimm 2 : Metano, K= 1,5 Propano K=1,6 Butano K=1,55 Gas manufacturado K=9,5 Figura 46. Velocidades máximas y mínimas de salida de gases por la boca de un quemador que aseguran que no haya desprendimiento ni retroceso, Válida para hidrocarburos. También se dan valores máximos de potencias superficiales para evitar el desprendimiento.

84

Velocidad de descarga

en el inyector

Figura 48, Evolución de la longitud de las llamas de difusión al variar la velocidad de descarga en el inyector.

Otro tipo de llama de difusión se crea mediante chorros opuestos de combustible y aire.

85

LLAMAS, CLASIFICACIÓN Y PROPIEDADES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

E~ color también es un distintivo de las llamas de difusión. En lugar d v10leta o azul-verdoso de las de premezcla, las de difusión van del amarilf brillante al rojo (anaranjado). Ello es debido a la formación de hollín. La presencia de éste también confu de la apariencia de la altura. De hecho, la altura luminosa de las llamas de¡ hidrocarburos es superior a la verdadera altura de la llama de difusión.

e las relaciones anteriores se concluye (cosa que la práctica confirma) que h las llamas de difusión, si el régimen es laminar, su longitud es proporional al caudal volumétrico, pero si el régimen es turbulento, dependen el diámetro del inyector.

L~

4.4.1 Longitud de llamas difusionales

La

La longitud de una llama de difusión depende del régimen laminar o tur bulento de la misma.

25

-t-°·-t-

En la figura 48 bis se indican las fórmulas que permiten determinar la Ion~ gitud de las llamas difusionales en algunas configuraciones típicas.

G)

'''

l. Llama libre 1.1 !.aminar

L1

I'· \. \. \. \.

V,

~ (((l.fo

(MI si combuslib!c puro)

"'-3L_.s._ 4ll0 0 C"'

L, =

J.,

'-0,21 croJ/s LPG

_s_,a.d.ff C,:,,¡J

2

D. cud.. Difusión: 0,•19 crnl/scon CII

1.2Turbu!cnto

)

.

C., concentrnci(;n l'fl. V.

P1

'

@

4,95 Cm gac, nMur.il Jire

~

5,20 Cm aire-ai,.,

L, m5.x., 1.3 L,

2.Llamu confinada

L2 "'L 1 (0,0 6S + 0,95) R

m ~

m,,

3. Aire apor!ndo

·~ -

SucciOn libre: u,> v.pílm.

Intensa

Rápida

en el centro

Cónica

independientemente del caudal. Para aumentarla habría que aumentar el diámeh·o del inyector. Cuando existen llamas paralelas que provienen de inyectores próximos, la longitud de cada llama se alarga con respecto al caso de llama aislada. En la figura 49 se representa este efecto en función del paso de los orificios (distancia entre ejes) relativo al diámetro del inyector, para disposición lineal o en cruz.

de

mezcla

Axial

Poco

y

iifr

Chorro

man.axial

sólo en el centro

Peonza

Velocidad Recircula-

secundario

Figura 50. Tipos de llama que pueden lograrse variando las características de mezclado, recirculación y rotación. No se han tipificado las de premezcla, que son similares a las del tipo 8.

88

s=

Rotación mon. ang.

Elevada

s>

Flujo frío inverso

en el centro

Coanda

Muy alta

Mínima

Fluía en

larga

Nula

Nula

V. combust. y p~im.

baJOS

lenta. frenada, difusión

Nula

Nula v. aire

v. comb>>

Frenada

Baja

Poco internamente .ude dentro externamente

Flujo conl en refract.

Rápidn

refract.

luminosa suelta Largn luminosa dardo ele fuego Alta velocidad

Mucho

pared

y fuera

Se trata, en general, de una llama de difusión. El mecanismo que rige el fenómeno es la transferencia de calor desde la llama formada a la fase con· ·' de e'sta y difusión de la misma hacia el frente. ,de densa d a, vaponzac10n llama, hacia la cual también difunde el oxígeno y tiene así lugar la reacc10n. Todos estos microprocesos constituyen una serie en la que ca~a uno contr_ibuye con su resistencia a la velocidad global del ~roceso, siendo el mas lento de ellos el que se denominará como mecanismo, controlante. Pues bien en el caso de fases condensadas, al igual que ocurna con los combustibl:s gaseosos, los mecanismos controlantes son los de difusi?n (de masa _Y de calor), ya que las velocidades de reacción son comparativamente mas

89

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

rápidas. De ahí la importancia que tiene la consecución de superficie (divi-' · sión en pequeñas gotas o partículas). Aunque se han desarrollado estudios teóricos relativos a la formación de llamas en fases condensadas, los modelos tratados son relativamente sim-i ples: gotas aisladas y atmósferas tranquilas. El tratamiento de modelos más complejos y, portante, más realistas, se halla aún en sus fases iniciales de" desarrollo, y así poco puede decirse sobre la combustión de nieblas de go- •• tas y en atmósferas convectivas. En el caso de la combustión de partículas sólidas, tiene importancia el hecho de si existen o no volátiles. Si no hay volátiles, la reacción química de oxidación tiene lugar en la superficie del sólido, a veces a partir del propio óxido formado. Por ejemplo, en la combustión de partículas de carbón el C02 formado difunde en todas direcciones y, por tanto, en parte hacia el sólido, en donde tiene lugar la reacción C02 + C = 2 CO y este gas formado, el CO, es el que con el oxígeno del aire forma el C02. En estas reacciones superficiales puede ocurrir que su velocidad sea más lenta que el fenómeno de difusión, con lo que el mecanismo controlante es el de la reacción química. Estoes lo que ocurre, por ejemplo, en la combustión de partículas de carbón de tamaño inferior a un cierto valor crítico (del orden de los 0,2 mm).

Quemadores 5. 1 INTRODUCCIÓN Los quemadores son los dispositivos que permiten realizar la reacción de combustión entre el combustible y el comburente de manera controlada Y Jable asegurando la aportación adecuada de ambos para consegulf la regu , ·, (11 potencia calorífica especificada, y distribuyendo. l,a zona de reacc10n amas) y Ja circulación de los productos de combust10n de modo que se transfiera a la carga, del modo más eficiente posible, todo el calor producido.

s

gún sea el combustible utilizado, los quemadores se clasifican en quemad:res de gas, de combustibles líquidos y de combustibles sóli~~s. En el caso de estos últimos, si la aportación del sólido se realiza neumaticamente (carbón pulverizado, por ejemplo) existe una cier'.a homogeneidad con respecto al equipo utilizado para los otros combustibles; pern en º'.ros, casos, como en el empleo de parrillas, por ejemplo, existe una d1ferenciac1on evidente. El carácter específico del equipo en función de la clase de combustible utilizado obliga a realizar su estudio separadamente, lo cual, por otra parte, exigirá repetir ciertos conceptos de común aplicación, así como suplir, por analogía, razonamientos generalmente válidos.

5.2 QUEMADORES INDUSTRIALES DE GAS

5.2.1 Criterios de selección Para especificar el equipo de combustión se han de aplicar, criterios d;. selección de carácter general relativos al quemador, y de caracter espec1f1co, teniendo en cuenta la aplicación concreta y el tipo de horno.

Criterios genéricos

90

•

Temperatura a alcanzar. Lo que implicará principalmente tasas de aireación, reciclado, precalentamiento, oxigenación.

•

Naturaleza productos combustión. Selección del carácter oxidante o reductor de la atmósfera del horno, concentraciones de NOx.

91

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

•

Flexibilidad de funcionamiento, que es la relación de potenci máxima y mínima a regulación nominal. Puede exigir modulaciórZ de tiempo de funcionamiento, o la utilización de series de quema-' dores.

VÓ.lvu\o

Airt o

prl'S1Cll

•

Flexibilidad de regulación. Relación de las tasas de aireación extremas entre las que el quemador funciona correctamente.

•

Ruido.

cámaro

dl'

combustión

Cómoro di! combust,ón

Válvula

IV

11

Criterios específicos •

Receptividad térmica del producto, que depende de: Aire prim11rio

•

Conductibilidad térmica. Coeficiente de absorción de la radiación. Superficie específica. Oxidabilidad. Receptividad térmica del horno:

inducído

Tobera

Gos

Aire s = o

Vcilvulo

tl1/ .u.

lint'G dt

mezcla

flJ ~twM 1

Vólvulo

Quemoó:ir@!l abiertos tip,cos Al quemador Eytclor d, aire Qutmodort"S opcíonoll.'S

Vólvulo Gas

Aire primario \~duc1do Aiusle n!ocion gas/oirl! Al qu,i,modor

Aislamiento térmico. Inercia térmica. Paredes térmicas: crisoles, muflas, semimuflas, tubos radiantes. Vestíbulos de precalentamiento de la carga. Recuperadores de precalentamiento aire.

Regulador de oro

Muclador outomótico

Motor

V

l1l

Figura 51. Clasificación de los quemadores de gas según el sistema _de mezcla. Para cada hpo se indican las aplicaciones más importantes. También se indican los sistemas de control. (Sigue en la página siguiente)

5.2.2 Clasificación A falta de un sistema de clasificación universalmente aceptado, se adopta aquí un sistema pragmático basado en el modo de alimentación del gas y del aire, tal como se visualiza en la figura 51.

5.2.3 Quemadores de premezcla • Quemadores de premezcla a presión. • Quemadores atmosféricos (gas a presión que induce aire).

Combustible

mm

Diámetro de seguridad mm

H2

1

0,28

co

2

0,56

CH 4

3,3

0,93

C3Ha

3,4

0,96

Diámetro límite

• Quemadores oxi-gas. Figura 52. Valores del diámetro límite y de la distancia de seguridad referidos a algunos gases combustibles.

92

93

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

uemadores de premezcla a presión

se



E

e

"'

.E:!·¡;;



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~ ~

u



n.

>º

-U

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94

Una pared fría ejerce una acción ínhibidora de la combustión. Existe un diámetro límite que es el mínimo requerido para que se propague la

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a) Fenómeno de calado o retorno de llama

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Figura 53. Corona estabilizadorar de chapa ondulada; su finalidad consiste en generar una corona de pequeñas llamas que rodean a la llama principal y la estabilizan.

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Figura 54. Quemador-rampa con estabilizadores, Su, funcionamiento es enteramente análogo al

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de la figura 53.

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95

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

QUEMADORES

bajos caudales puede producirse un retroceso de llama hacia el mezcla"or, excepto si el orificio de salida tiene un diámetro inferior a la distancia seguridad, o colocando una rejilla de malla inferior a esa distancia (queador Meker); o celdillas de refractario con diámetros adecuados.

-b) Ecl1pSt'

o)

e) St'las

n equipos potentes, estas protecciones son inaplicables, y el sistema se rotege garantizando un caudal mínimo.

A.E.M

•

ambién puede protegerse el retorno colocando en el tubo de premezcla ejillas o esponjas metálicas de mallas inferiores a la distancia de seguridad.

dl North American

) Fenómeno de desprendimiento o soplado uando aumenta el caudal, la llama se hace aérea e inestable y puede llegar a desprenderse.

f) Surface combustión

g) KuppHsbusch

Figura 55. Quemador tipo antorcha con distintos cabezales estabilizadores. Todos ellos forman"• por uno u otro sistema, una corona de llamitas de retención.

combustión. Su valor depende de la naturaleza de la mezcla y de la temperatura de la pared. ·

Se emplean dispositivos que contrarrestan el fenómeno: estabilizadores (figuras 53,54). Uno muy frecuente consiste en rodear la llama principal de "llamas auxiliares de baja velocidad (llamas piloto), cuando se trabaja al aire libre (antorchas) (figura 55); en los hornos, la estabilización se consigue con Ilos refractarios (figuras 56 y 57).

et'

También se define una distancia de seguridad, en la que se tiene en cuenta c~l~ntamiento de las paredes por la llama. En la figura 52 se dan los valores, hp1cos para diversos combustibles. ·

Mezcla

--

Mezclo

gas-aire

Piloto de encendl do

Figura 56. Quemador de premezcla total de chorro anular y bloque de refractario cilíndrico, el cual ayuda a la estabilización de la llama.

96

Figura 57. Quemador de premezcla, con ensanchamiento brusco en la descarga, que favorece la estabilización.

97

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

c) Características de funcionamiento

Sin embargo, se siguen utilizando por su:

Su flexibilidad es limitada:

• Elevada intensidad de combustión y temperaturas altas de llama.

• En potencia, por los límites de estabilidad. Raramente se consiguen equipos industriales flexibilidades superiores a 1/4.

• Elevada potencia específica del frente de llama.

• En tasa de aireación, por razón de los límites de inflamabilidad.

Se emplean en trabajos a la llaa y aplicaciones de alta temperatura que requieren desarrollo puntual de calor.

• El retorno de llama se evita, como se ha visto, reduciendo los orificios deO alimentación. De ahí que la potencia de estos quemadores se limite a 200 kW para los de premezcla total y 500 kW para los de premezcla parcial.

Gas Por deslizamiento

'-----.

Por giro

Compuerta

'-........ Tuc:rca de bloqueo ~, del obturador

~

Obturador de aire

Inyector de gas

Por

avance

del manguito

Por posición de arandela

Codo

Figura 59. Tipos de regulación de aire primario aplicados en mezcladores de inducción atmosféricos (deslizamiento, giro, avance y estrechamiento de sección, arandela roscada).

Quemadores atmosféricos Cabeza del quemador

En ellos el gas induce el aire atmosférico en el tubo de mezcla, en cuyo extremo se forma la llama.

Figura 58. Quemador atmosférico para horno industrial.

No se requiere, pues, ventilador de aire ni órganos mecánicos que regulen el caudal de aire en función del caudal de gas.

• La recuperación también se dificulta en estos tipos por el riesgo de calen-·· tar las mezclas.

Cuando en un quemador atmosférico de inyector fijo se hace variar la presión del gas, varía el caudal de éste, pero el caudal de aire aspirado no varía

98

99

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

QUEMADORES

proporcionalmente, de modo que el valor de a aumenta con la presi régimen laminar, pero decrece en régimen turbulento.

o

Figura 60. Cabezales aireados para formar rampas (típicos en calentadores de agua y caldera Cada uno lleva su inyector y requiere la regulación individual del aire primario.

2,0

1,5

1,0

0,5

2,5

d,/d,

ura 60 bis. Valor del coeficiente de arrastre de aire, K, en los quemadore~ de inducción atmosicos, en función de la relación de los diámetros de la garganta de Ven/un y del de la boca de /ida del quemador.

el caso de gases usuales, la aireación primaria es:

En la teoría de estos quemadores se define un diámetro equivalente d,: a= 11

siendo cj:> el coeficiente del inyector, d, diámetro salida del quemador K, el coeficiente de arrastre de aire K:".l (en general, 0,75 < K

Quemadores de mezcla en la boca de salida y aire a presión Se entiende por aire a presión el generado con ventiladores centrífugos con valores del orden de los 50 a 70 mbar, e incluso a 100 mbar, pudiendo

114

115

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

Eyector de tiro inducido Tubo radiante

Gas

-f>

Aire a 100 mbar Entrada de gas /

al piloto Entrado del aire inducido

ura 75. Quemador radiante de llama de difusión (mezcla en la boca de salida).

!larse precalentado a temperaturas de hasta 400 + 500 ºC en recuperadometálicos. Las velocidades del aire son del orden de los 100 m/s, con lo e las impulsiones de la vena de aire son muy importantes.

Entrado del gas / a 50 mbor

Figura 73. Tubo radiante de alta temperatura, alimentado con gas a 50 mbar que induc atmosférico. Para la descarga de los productos quemados debe inducirse el tiro medían/~ eyector con aire a 100 mbar.

aire puede llegar por un inyector central o por varias toberas; pero la ngitud de llama es imposible de calcular. Sin embargo:

Obstáculo d(> turbuhmcia

Preme:zcla

total

....,.

Air(>

Mirilla

Figura 74. Quemador radiante de premezcla total, con refractario en Jomia de copa y derra mural.

116

Orificios dt> 4 mm

·igura 76. Quemador túnel de alta velocidad, alimentado con gas y aire a presión, mezclados en a boca de salida y mezcla activada mediante la turbulencia provocada por un obstáculo.

117

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

QUEMADORES

• Dada una velocidad de aire, la longitud de llama y de mezcla son mas cuando el gas y el aire tienen la misma velocidad. • Dada una velocidad de gas, la longitud de llama y de mezcla disn'l yen al aumentar la velocidad del aire, pero la transferencia de calor al no aumenta. • La transferencia de calor es mínima cuando ambas velocidades son i les. Derrame concurrente

Inciden ambas corrientes según diversos dispositivos y sin posibilidad. dar reglas generales de los procesos de mezcla y estabilización.

Preme:zcla total

Figura 78. Quemador túnel de premezcla total, de baja potencia.

Piloto de- encendido o ventana para el encendido

Aire

Figura 77. Quemador túnel de premezcla total. La velocidad se consigue disminuyendo la sec,· ción de salida.

Mirilla

Derrame giratorio del gas

Entre las variantes, las más importantes se encuentran: a) Llama mural, o efecto pared o efecto Coanda. La llama de muy débil espesor se desarrolla a lo largo de la pared, y se originan corrientes que aportan hacia el centro los productos quemados.

Figura 79. Quemador de difusión (mezcla en boca de salida), de alta velocidad.

Se origina una importante radiación de la pared. Permite evitar contacto de llama al producto y reducir el volumen de la cámara combustión. b) Llamas en bola.

118

119

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

Permiten desarrollar llamas de gran intensidad. Pueden realizarse} mente en versión mixta.

Chapa perforada

Chapa perforada

Gas puro

Figura 80. Quemador de vena de aire con llamas de premezcla (sección del quemador lineal).

Derrame a contrarrotación L_a contrarrotación se realiza con aire contra aire y gas a baja presión O co aire contra gas a alta presión. Se logran mezclas muy intensas y combustió rápida. Este grupo de quemadores es el de mayor flexibilidad de funcionamiento el que halla aplicación más extendida en el campo industrial.

igura 81. Quemador de vena de aire con llama de difusión (se observarán los obstáculos disuestos para crear turbulencia).

Recuperación y precalentamiento de aire. Es uno de los sistemas de elevar la )emperatura de combustión. Cuando las condiciones son, aproximadamen'te, las estequiométricas, la elevación de la temperatura del aire de 100ºC eleva en 50 ºC la de llama. Hasta potencias de 500 kW pueden utilizarse quemadores autorrecuperadores, en los que se ha de proveer un sistema de extracción de humos.

En cuanto al cambio de combustible, se logra fácilmente por regulación.

120

121

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

él tipo de copa también se alimentan en premezcla total y adoptan os modelos. Se alcanzan rendimientos del 15 % a 1000 ºC.

5.2.6 Quemadores especiales Quemadores radiantes Se denominan así cuando una parte importante de la transferencia d' se realiza por radiación por medio, en general, de una superficie de tario (Figuras 70 a 75). Se denomina rendimiento de radiación a la proporción de energía que se transmite por radiación.

an a gran velocidad (> 100 m/s) los productos de una combustión pleta o casi. El chorro se lanza sobre el producto a caldear o sobre la ósfera provocando su recirculación.

Entre los distintos tipos, se pueden citar los paneles radiantes, en los q utiliza en general un mezclador de inducción. Dan rendimiento del 40 a] 5 Los de alta temperatura, que se alimentan en premezcla total, queman el en multicanales de unos 20 mm 0. El rendimiento es del orden del 20 %.

Aire trio

Productos de la combus1fón

Gas

Productos de: la combustión

igura 83. Quemador autorecuperador. Los productos de la combustión calientes son obligados entrar concéntricamente en el cuerpo del quemador, cediendo calor al aire de combustión.

onstan de un dispositivo de mezcla, una cámara de combustión y un orificio o tobera de salida. (Figuras 76 a 79). 'La presión en la cámara de combustión varía entre 10 y 60 mbar.

·Quemadores de vena de aire Gas

Figura 82. Quemador de doble recuperación. Se obliga a los productos de la combustión y al aire de combustión a un largo recorrido, primero en un cambiador adosado a la pared, y luego en otro, alrededor del quemador.

122

Se han desarrollado para calentar aire de secado o calefacción. Se construyen de tipo modular para permitir constituir formas diversas. La potencia lineal máxima es de 500 a 1000 kW (PCI)/m en los alimentados con gas puro y 1000 kW/m en los de premezcla. Se alcanzan temperaturas de 400 ºC (Figuras 80 y 81). A veces se instalan para asegurar la incineración de efluentes, en cuyo caso, la condición es que el 02 sea :2cl8% y la temperatura de ataque< 540 ºC, y la incineración se hace a 800 + 850 ºC y potencia lineal :2c900 kW/m.

123

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

z.7 Quemadores para altas temperaturas Electrodo

central

denomina, generalmente, como zona de altas temperaturas, la que

Aletas para la

rotación dtl ai~

Refractario

Tobera dit La val

Electrodo r:n corona

Aire primario

Cámaro de: combustión

''

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Aire:

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Gas_.,.

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Figura 84. Electroquemador con tobera de Laval en cuyo eje lleva un electrodo metálico, y el trodo anular a la salida.

Gas plasmágeno N2,CH 4

Gas

3 electrodos

natural

a 120º

Aire secundario

Cojón de: airee Llamo

·igura 86. Electroquemador con el arco descargado en los productos de combustión.

e extiende por encima de los 3.000 K hasta la región de las temperaturas de as reacciones nucleares, "'10' K.

lnye:ctor

Los medios para alcanzar la zona inmediatamente próxima de la descrita, comprendida entre los 2.000 y 3.000 K se limitan, casi exclusivamente a la reacción química: la combustión de combustibles convencionales. Estos, en ,general, proporcionan temperaturas del orden de los 2.000 K, las cuales pueden elevarse: Aire:

Figura 85. Electroquemador con arco soplado en el gas.

124

a) Por enriquecimiento del comburente con oxígeno, que permite alcanzar los 2.700 K. .b) Precalentamiento del aire de combustión con el calor de los humos; según el sistema adoptado, son alcanzables los 2.500 + 2.600 K (figuras 82 y 83).

125

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

c) Mediante el uso de la electricidad (electro-quemadores) para prod ionización o generar plasma, pudiendo así alcanzar e incluso superai:' 3.000 K (figuras 84, 85 y 86).

por rotación (figura 87). El aceite llega por un tubo central a una copa ratoria que, al girar a gran velocidad, rompe el líquido en gotas que el e arrastra. Se regula variando el caudal de aceite.

De hecho, no existen procesos comerciales en los que se supere la temp' tura de 3.000 K. Aire:

5.3 QUEMADORES PARA COMBUSTIBLES LÍQUIDO Existen dos clases fundamentales de quemadores de combustibles líquid'

/ /

Aceite-

- -/

/

/

//

1) Quemadores de gasificación o vaporización, en los que la llama, por ra . · ción sobre la superficie del combustible líquido, produce la vaporización éste, el cual se incorpora a la llama y mantiene la combustión. Este siste tiene una doble limitación de uso: por un lado, se aplica a quemadores queños (z15 kW); por el otro, sólo es aplicable con combustibles ligeros.

Figura 88. Pulverización del aceite a presión en un atomizador.

-

Flujo de aire: -

Entrada de aceite por el eje: hueco

--

"7--+-Gotas de aceite arrastradas por

2) Por presión de aceite (figura 88). El aceite, a una presión de 10 a 100 bar, sale por una tobera a la cámara de combustión, pulverizándose por la ex.pansión. Se regulan modificando la sección de la tobera o por recirculación del aceite.

--l--Putverización por centrifugación Aire: di? pulvl?ri:ración

Figura 87. Pulverización en copa rotativa troncocónica, en la que el aceite forma una capa que pulveriza a la salida y el aire arrastra.

2) Quemadores de pulverización, que son los generalmente utilizados. E combustible, para ser pulverizado, debe tener baja viscosidad, del orden. de los 10 centistokes, o 2 grados Engler (figura 4) que sólo presentan a baja temperatura los gasóleos, y que requiere calentar a 110 ºC el fuel-oil pesado. Existen tres métodos para pulverizar el aceite:

126

,

/

/

/

/

-

~:: -

°-''",-'

....

Aire: secundario-----

Figura 89. Pulverización del aceite mediante un fluido (aire o vapor) a presión que forma las gotas y las dispersa.

127

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

3) Por inyección (figura 89), que puede ser de aire, vapor de agua so, gas combustible. Una corriente de aceite a baja velocidad es arras pulverizada por una corriente de fluido de alta velocidad. El aire ü · (aire primario) es más o menos importante, según se utilice a baja ' (30 a 100 robar); a media presión (100 mbar a 1 bar); o a alta presión 6 bar). La aireación primaria es, respectivamente de 0,5 a 1; de 0,1 a, 0,01 a 0,05.

Quemadores de pulverización por aire a baja presión ·• ·, del aire es del orden de los 30 a 100 robar, y debe emplear caures10n relativamente importantes, que pueden representar más del 50% del stequiornétrico, aunque existen diseños en que se logra

4) Un cuarto método, actualmente en vías de desarrollo, utiliza técni ultrasonidos.

5.3.1 Quemadores de gasificación Ejemplos típicos de estos quemadores son los vaporizadores de gas los quemadores de queroseno (petróleo lampante) con mecha, y los: guas quemadores domésticos en los que el combustible se vaporizabas, una placa calentada por la llama. (Figura 90).

Aceite

Aire de pulve:riz. AirE: secundario

•igura 91. Quemador de pulverización con aire a baja presión. El aire secundario entra por un njunto de toberas independientes que rodean a la llama.

Aire

Figura 90. Gasificador o vaporizador de aceite. Éste se alimenta mediante un depósito con ni regulado, en el cuerpo gasificador en donde se mezcla con aire y forma la llama, cuyo valor reali za las vaporizaciones sucesivas.

128

tilizar sólo el 10%. El combustible utilizado en estos quemadores es de aja viscosidad, inferior a 20 cst o 3 ºE, y debe llegar al quemador a preiones del orden de los 70 a 350 robar. Su operación y control son simples, 0 tiene partes móviles ni delicadas y es flexible a variaciones de carga ,(Figura 91) .

.5.3.3 Quemadores de pulverización por aire o vapor a presión Utilizan presiones de aire o vapor de agua desde los 100+350 robar hasta los 10 bar. El consumo de vapor varía de 0,1 a 0,5 kg por kg de fuel-oil, Y el de aire, de 0,2 a 0,8 kg/kg, según el diseño y dimensiones del atornizador y la viscosidad del combustible.

129

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

.3.4 Quemadores de pulverización mecánica rabajan con presiones de aceite que dependen de su viscosidad. En geneal, se recomienda que ésta no supere los 8 cst (l,8ºE), pero hay diseños que ermiten los 20 cst (3 ºE). (Figura 88).

.

Comara de

errniten trabajar con bajos excesos de aire (del 5 al 10%); se pueden obte. er llamas de gran tamaño; la potencia de pulverización es pequeña; al no xistir partes móviles expuestas a la radiación, constituyen un sistema muy eguro; la regulación es sencilla (por presión de aceite), pero poco flexible, or lo que en grandes instalaciones se deben instalar varios elementos con egulación individual todo-nada.

I

muela

i

Vapor

Figura 92. Quemador de pulverización por vapor a alta presión y cámara de mezcla (mez interior).

Existen diseños con mezcla exterior, en los que el aceite y el fluido impuls llegan separadamente a la boquilla (figura 89); o de mezcla interior, rea; zada en una cámara de mezcla y descargando en una tobera (figura 92). E los del primer tipo, se recomiendan presiones de aceite del orden de los 3 · a 800 mbar; en los del segundo tipo, la presión del aceite ha de ser la mis que la del fluido de arrastre.

.3.5 Quemadores de copa rotativa (pulverización centrífuga) En ellos el aceite se inyecta a baja presión en una copa troncocónica que gira a 2.500 + 7.000 rpm, impulsando así al líquido en forma de lámina cónica que rompe en forma de finas gotas. El aire, a baja presión, se introduce en el espacio anular. (Figura 87). La forma de la llama puede ajustarse variando la velocidad del aire (al aumentar ésta, la llama se alarga) y la velocidad de giro (al aumentar, la llama tiende a ensancharse).

5.3.6 Quemadores de pulverización mixta (mecánica y fluido de arrastre) Corno su nombre indica, combinan ambos sistemas, lo que les confiere gran flexibilidad, manteniendo ángulos de pulverización constantes. Se trabaja con presiones de aceite de 1 a 20 bar y consumos de fluido de arrastre del orden de 0,05 kg por kg de aceite. Re-circulación

Una variante de este tipo de quemadores es el dual, en el que el gas es fijo y la regulación se realiza con el fuel-oil.

Forma de la llama Bloque de refractario colient~

Como en el caso de los quemadores de gas, la forma de la llama viene determinada, principalmente, por la presión de la mezcla, la proporción de aire primario y la calidad del mezclado. Así, en general:

Figura 93. Formación de circulación giratoria mediante aletas en la sección de salida del aire.

130

131

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

Re-circulación

txterna

l_

''l'amlJién son aplicables los mismos conceptos generales ya señalados para quemadores de gas. los quemadores de fuel-oil tiene importancia el control del desprendi,,,;,.nl:o de llama, lo que se logra principalmente: Utilización grandes velocidades de aire e imprimiéndole circulaciones og¡ra,uua, (figura 93). Provocando fuertes recirculaciones, forzadas o inducidas, de los gases quemados, con lo que se consigue aportar calor suplementario a la base de las llamas (figura 94). • Utilizando aire precalentado. • Forzando turbulencias en las mezclas (figuras 95, 96).

Figura 94. Formación de remolinos de productos calientes estabilizados de la llama.

• La llama se hace más larga y estrecha al aumentar la presión. • La llama se acorta si aumenta la aireación primaria. • Un buen mezclado y la turbulencia acorta y concentra la llama.

A,c-ilt Airc.dt. - lorbe-Uino

Pantalla y loberos

Figura 96. Creación de mezclas turbulentas y giratorias que ayudan al mezclado y estabilización de las llamas:

5.3.7 Quemadores especiales Quemadores duales: gas!fuel-oil

Figura 95. Creación de turbulencias en las mezclas mediante pantallas y toberas en el cirº. cuita de aire.

132

En general se basan en un quemador de fuel-oil al que se le acopla un colector anular de gas que conduce éste a la vena del aire. En la figura 97 se esquematiza uno de los tipos posibles.

133

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

Quemadores para aire precalentado Si el aire no pasa de los 200 ºC no se requieren generalmente precau ', especiales; pero, por encima de esas temperaturas deberá prestarse ción a los refractarios y partes internas del quemador.

Quemadores con control de forma de llama La forma de llama la ajustan variando la velocidad de mezclado, pa de llamas largas y estrechas (velocidad baja) a cortas y anchas (velo alta). También puede lograrse el mismo efecto variando la posición d aletas del aire, tal como se esquematiza en la figura 98.

Atomizador

-----•Atomiz.ador

---~:-

gura 98. Aletas móviles con cuya posición se puede alargar o ensanchar la llama (retardando o rtando el contacto aire-aceite).

uemadores con enriquecimiento de oxígeno n ellos el oxígeno se mezcla con el aire, nunca con el combustible; y se ebe tener la precaución de que por ninguna circunstancia el oxígeno pueda fugar a la canalización de aire o a la de aceite.

Fud-oil ........

Tratamiento previo del combustible Por razones obvias, el fuel-oil debe filtrarse (problemas en las boquillas) y precalentarse (para su transporte y pulverización).

t Gos

Figura 97. Quemador dual gas-aceite, con quemador central de aceite y anillo de toberas descarga de gas concéntricamente.

Quemadores de residuos líquidos Generalmente se usa un tipo dual, alimentando el residuo por la boquil del combustible líquido. Se ha de asegurar que el residuo sea combustibl que sea atomizable, que los productos no sean tóxicos ni corrosivos.

134

a) La filtración tiene lugar, en general, en dos etapas. Una a baja temperatura (unos 45 ºC) para la protección de las bombas; otra a alta temperatura (unos 100 ºC) para la protección del quemador. La limpieza del filtro es una operación intermitente, por lo que deberá preverse una doble línea en paralelo en sistemas de combustión continuos. b) El almacenamiento del gasoil se realiza a temperatura ambiente; el del fuel-oil, a 40 +50 ºC, necesarios para la circulación. En este caso, las tuberías se trazan con vapor o eléctricamente.

135

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

5.4 QUEMADORES PARA COMBUSTIBLES SÓLIDO

.2 Cámaras de combustión tipo ciclón

Aunque el carbón contiene materias volátiles que en mezcla con el air lugar a llamas, la mayor parte de su materia combustible es sólida y tiene que llegar el oxígeno para que tenga lugar la reacción de combus. Esta etapa de difusión es la más lenta, por lo que debe activarse aume' do el contacto sólido-aire, lo que implica reducir el tamaño del carbón.

combustión tiene lugar a elevadas temperaturas en una cámara ubierta de escoria fundida, que así hace de aislante, evita pérdidas de or y asegura temperaturas elevadas (Figura 100).

Los sistemas utilizados para realizar el contacto aire-carbón son:

Aire

Aire caliente

+

t

• Quemadores de carbón pulverizado. • Cámaras de combustión tipo ciclón. • Parrillas. • Cámaras de combustión de lecho fluido.

Quemador

5.4.1 Quemadores de carbón pulverizado El carbón debe secarse, pulverizarse a tamaños que dependen de la das carbón (así, la hulla se pulveriza de modo que el 80 % sea inferior a O, 1 el lignito, el 60% es inferior a 0,1 mm), y se transporta neumáticament quemador, de modo que el aporte de aire suele representar del 20 al 4 del aire de combustión, según sea el contenido de humedad y cenizas gura 99). El quemador es similar al usado para combustibles líquidos; pero debid' que el tiempo de combustión es más largo, se dan velocidades de sali más bajas, que llegan incluso a los 5 + 10 m/s.

carbón pu lverizodo

Cor bón

+

aire

Ventilador aire primario

Se pueden construir con potencias de hasta 46 MW. Debe tenerse especial cuidado con las temperaturas: en la entrada, p asegurar la estabilidad, no se puede bajar de los 55 ºC, y no se pueden brepasar la temperatura de coquización, que es de 70 ºC si el contenido volátiles es mayor que el 25 %, por ejemplo. Pero también en la cámara combustión pueden aparecer problemas en la formación de las ceni (óxidos de silicio, aluminio, calcio, etc.).

136

igura 99. Instalación de combustión de carbón pulverizado.

El carbón pulverizado entra con el aire primario tangencialmente y, de moo independiente, también se alimenta el aire secundario. Las partículas ayores de carbón tienden hacia la pared, donde son captadas, mientras que las finas, arrastradas por el aire, son quemadas completamente. Se consiguen potencias (por unidad de volumen de cámara de hasta 9 MW/m3•

137

QUEMADORES

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

5.4.4 Parrillas Corte A-8

Se distinguen por la forma de alimentación del combustible y así pueden ser:

A! 5

4 8

1. 2. 3. 4. 5.

•

Parrillas fijas con alimentación desde arriba .

•

Parrilla móvil (banda transportadora}, con transporte horizontal del combustible hacia la cámara de combustión.

•

• Parrilla fija con alimentación desde abajo .

En todos los casos el aire de combustión debe atravesar la parrilla, por lo que se consigue un equilibrio entre el transporte de calor desde la zona de reacción a la parrilla y de la entrega de calor de ésta al aire de combustión. (Figura 101).

_J

Aire primario+ carbón Aire terciario Aire secundario Extracción escorias Gases quemados o)

b)

,1

Figura 100. Quemador tipo ciclón.

5.4.3 Lechos fiuidizados Sólo se emplean como cámaras de combustión de calderas de vapor cuan se han de emplear combustibles con alto contenido de cenizas o cuando desea desulfurizar, de modo que el azufre pase a las cenizas en forma . sulfato de calcio, magnesio y sodio; a veces puede incorporarse carbon cálcico, para conseguir ese efecto. Este resultado se alcanza mejor en este tipo de hogares que en un ho normal, porque la temperatura puede mantenerse en el orden de los

,gura 101. Parrillas para la combustión de carbón: a) fija; b) móvil (cinta transportadora); c) n alimentación inferior. Las capas indicadas son: 1) carbón fresco; 2) zona de gasificación: que; 3) cenizas.

potencia específica conseguida (por unidad de superficie de parrilla) es 1 orden de 1 al,7 MW/m2, lo que corresponde a un consumo de 100 a 200 . m 2 de carbón. Las necesidades de aire son como mínimo de a = 1,3, diendo incluso llegar a a = 2 si el control es manual.

.,.900 ºC.

Otra aplicación de los lechos fluidos es para el calentamiento de sóli pulverizados, alimentando entonces el combustible (gas o líquido) de m independiente.

138

139

CONTROL DE LA COMBUSTIÓN Y CONTROLES DE SEGURIDAD

Control de la combustión y controles de seguridad INTRODUCCIÓN el epígrafe genérico de control, referido a los procesos de combustión, pueden entender dos categorías de conceptos diferentes. La primera caoría se refiere a los sistemas que aseguran el correcto funcionamiento del · ceso: que el desarrollo de calor sea el adecuado, mediante el control del da! del combustible; o que la proporción utilizada de cada combustible la más conveniente, en sistemas de varios combustibles; que la proporn de aire-combustible se mantiene en los límites prefijados en todos los ímenes de marcha y que la presión del hogar, o cámara de combustión rmanezca dentro del margen especificado. ·0

segunda categoría corresponde a los sistemas utilizados para garantizar seguridad de funcionamiento, teniendo en cuenta las propiedades de las zclas aire-combustible y las posibilidades de formación de mezclas exsivas en espacios confinados y los sistemas de evitar o prevenir tales iste un grupo de cuestiones que podrían clasificarse en cualquiera de los s grupos anteriores, que es el control de la producción de contaminantes, Cque desde un punto de vista se trata de un problema de seguridad (for~ción de CO o de NOx); pero su aparición está íntimamente ligada al sisa de conducción del proceso y, por tanto, desde este punto de vista, responde al primer grupo.

CONTROL DE LA COMBUSTIÓN · combustión es, en realidad, una reacción química en la que los reactivos mbustible y comburente) desarrollan una reacción de oxidación exotérca rápida que, por razones de economía, debe ser completa en cuanto al bustible, lo que exige trabajar con un cierto exceso de comburente, pero o de forma limitada para evitar pérdidas de calor en los productos de la cción. El control cuantitativo de la reacción se deberá hacer, en consencia, variando la alimentación de combustible; el exceso de comburente

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CONTROL DE LA COMBUSTIÓN Y CONTROLES DE SEGURIDAD

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

(aire), manteniendo su proporción con respecto al combustible utiliza. Por otra parte, en los productos de la combustión pueden aparecer prod' tos no deseados por el desarrollo de reacciones paralelas, lo que tamb puede controlarse conduciendo la operación de modo que o no tengan: gar en absoluto o que sólo lo tengan en grado mínimo. Aunque todo está interrelacionado, se irá tratando cada cuestión de modo separado.

6.3 CONTROL DE CAUDAL DE COMBUSTIBLE

Señal de caudal,

temperatura, etc.

P,

P,

6.3.1 Combustibles gaseosos Aunque entre distintos combustibles gaseosos pueden darse diferencias poder calorífico, lo usual es que se esté utilizando un cierto tipo de combí.í tible (gas natural, propano, etc.) de poder calorífico prácticamente const te. El flujo de calor se determina a partir del caudal másico que, medido un diafragma es, en kg/s: qm"'~

En el caso de los gases el caudal másico se suele expresar en forma de n\ tro cúbico normal (o también estándar). Teniendo en cuenta que p = p, siendo p, la masa volúmica del aire: qm

,,,p_d

siendo W¡ el índice de Wobbe. El caudal calorífico puede, pues, controlarse mediante un diafragma, diendo el Í'>p. Pero, para ello, la presión del gas ha de venir regulada (g pos de regulación), con lo que se tiene una disposición de dos regulador en serie: el de presión y el de caudal (figura 102). Para evitar interaccion entre ambos se aconseja que el primero tenga menos pérdida de carga (m yor calibre) que el segundo.

142

Quemador

Linea Grupo de

Control de

regulación

El flujo de calor del proceso de combustión vendrá solicitado a partirC una señal determinada, adecuada al proceso de que se trate (una tempe tura, una presión, etc.), la cual actuará sobre el controlador del caudal; combustible alimentado. En este respecto, convendrá distinguir entre si) trata de un gas, un líquido o un sólido.

P,

P1 -P 2 < P2-P 3

caudal

9

p > P,+P 3 2 -2

igura 102. El grupo de regulación que precede al regulador de caudal controlado por una señal temperatura, presión de vapor, etc., debe tener menor pérdida de carga que éste

el flujo calorífico es: = H¡. Qrn = W¡ y'"'E"P

Combustibles líquidos a propiedad fundamental de los combustibles líquidos, tanto en lo que se efiere a su alimentación al quemador como en su comportamiento en el ropio quemador (pulverización) es su viscosidad. Según sea ésta, el conp-ol del caudal calorífico (caudal másico, como en el caso anterior, si el poc!er calorífico es constante), puede realizarse directamente o no. En el caso e combustibles muy viscosos, el aceite debe calentarse a la temperatura · decuada, bombearse al quemador, en general mediante bombas de engraajes; la dosificación se realiza mediante el calibre del orificio del quemaor, y el exceso de combustible se recicla al tanque (figura 103). La diferenia de los caudales entrados y salidos es el caudal suministrado. Si se desea ontrolar la viscosidad, en el caso de que el aceite presente variabilidad de ~ta propiedad, pueden utilizarse sistemas de control que miden esta proiedad de modo indirecto, por ejemplo, manteniendo un caudal constante a . avés de un diafragma calibrado.

143

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

CONTROL DE LA COMBUSTIÓN Y CONTROLES DE SEGURIDAD

~ - - Al quemador

Si el combustible sólido se quema en parrillas, éstas se alimentan directa•mente después del dosificador; pero si después de dosificado se requiere una operación de preparación (por ejemplo, una pulverización) existirá un desfase entre la señal dada al dosificador y la respuesta del nuevo caudal, desfase tanto mayor cuanto mayor sea la duración del proceso de preparación (tiempo de residencia), (figura 104).

Caudal

Demando de calor

Demanda

Programador

Control del aire

K

Figura 103. El caudal de combustible se mide por diferencia de la alimentación y el retomo. FCI-,.._--<

~--1.i..._JLJí, : ~ - - - - - Quemador Quemador

Figura 105. La señal de .demanda de calor da preferencia al consumo del combustible residual y sólo se complementa con una proporción fija (K) de combustible complementario.

6.3.4 Mezcla de combustibles Figura 104. En el programado,· se incorpora una corrección de tiempo para tener en cuenta el retraso de la respuesta debido al tiempo de residencia del molino.

6.3.3 Combustibles sólidos Como en las demás formas de combustibles, el caudal calorífico, supuesto constante el va~or del poder calorífico del combustible sólido empleado, se controla ª. traves del caudal másico. En este caso, la medición de este caudal se determma mediante sistemas gravimétricos.

144

Los casos de empleo simultáneo de varios combustibles son muy variados, y cada uno debe ser resuelto en consecuencia. Así, puede ocurrir que se trate de quemar residuos que son incapaces, por sí solos, debido a su bajo poder calorífico, de mantener la combustión, por lo que debe aportarse combustible complementario en todas las circunstancias. En unos casos, el combustible residual puede mezclarse con el complementario; en otros deben alimentarse separadamente.

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CONTROL DE LA COMBUSTIÓN Y CONTROLES DE SEGURIDAD

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

Otro parámetro a tener en cuenta es la variabilidad de los caudales dis nibles que, para ajustar la demanda al valor especificado, obliga a moa' las aportaciones del combustible complementario. Cada situación particular debe plantearse de modo específico atendienci sus características particulares, de modo que se asegure el resultado del do. En la figura 105 se esquematiza el control de una de estas situaciones' la que, en función de la demanda, se va utilizando preferentemente el co' bustible residual y, a medida que la demanda aumenta, se van aportan' mayores cantidades de combustible complementario, lo que correspon en el esquema a un valor de K prefijado en la unidad; si se desea que aportación de combustible complementario sea siempre igual a una pr porción, por ejemplo del 10% del total, el factor K se pondría igual a 0,9.

6.4 CONTROL DEL CAUDAL DE AIRE El control del aire aportado para la combustión tiene gran importancia y que se debe asegurar que el exceso, siempre necesario en los procesos nor males, para que la combustión sea completa y no se produzcan inquemac dos, no sea demasiado alto, en deh·imento del rendimiento (factor de utilización bajo). Como, por otro lado, el caudal de combustible ha de venir regulado por la demanda de calor, el caudal de aire deberá ajustarse a aquél, de donde se sigue que el conh·ol de éste se realiza sobre la relación combustible/ aire. Este hecho puede venir complicado si se dan circunstancias variables en la composición y poder calorífico del combustible, ya que ellas entrañan variaciones en la relación calor-caudal, y la relación de aire-combustible varía, también, consecuentemente. En estos casos, frecuentes en el caso de combustibles sólidos, el caudal de aire se suele regular no en relación al combustible, sino al calor desarrollado. Como a cargas bajas se requieren valores mayores de la relación airecombustible (para compensar defectos de mezcla, por ejemplo), para cada tipo de quemador se puede trazar una curva de exceso de aire (o porcentaje de oxígeno en los gases quemados) en función de la carga. Con los valores de esta curva se corrigen las señales de demanda de carga, de modo que la

146

!ación de aire-combustible, ajustada linealmente, incorpore tal corrección ¡gura 106).

Combustible

Aire

Figura 106. Los caudales de combustible y aire se mantienen en la proporción_ adecuada mediante un corrector que corrige esta proporción en función de la demanda a traves del porcenta¡e de oxígeno.

Existen también sistemas electrónicos, tal como el esquematizado en la figura 107. De modo manual, para cualquier posición de la _válvula de regulación del caudal de gas, se fija en el servomotor de acc1onam1ento de la válvula de aire la posición óptima, de acuerdo con la curva de exceso de aire-carga, mencionada anteriormente. Todo ello queda memorizado en

Señal de demanda Al quemador

Combustible

: ilffi Aire

Al quemador

,-.:.:::.:.....--e,-------...

Figura 107. La unidad de control, de acuerdo con el programa pre~stablecido; ajusta las proporciones de aire-combustible al variar la carga (demanda de combustible).

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CONTROL DE LA COMBUSTIÓN Y CONTROLES DE SEGURIDAD

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

una estación central, la cual aparea las posiciones de ambas válvulas, c siguiéndose una regulación por puntos, prácticamente modular. Aunque lo más usual es, en estos controles, medir el exceso de aire por el pq centaje de oxígeno, se ha citado como más conveniente realizar este contr midiendo el CO, que debe mantenerse dentro del margen de 100 .,. 200 ppm. El argumento reside en que el porcentaje de oxígeno puede dar una indic ción falsa si ha habido infiltraciones de aire o desajustes en el quemador mientras que el porcentaje de CO es independiente de esas circunstancias. ·

6.5 Formas de realización del control Las formas de realizar el control de la relación aire-combustible son diver--. sas, ilustrándose a continuación las principales.

Es el sistema más económico, pero no cubre bien todo el margen de trabajo.

6.5.2 Control por presión A diferencia del caso anterior, en el que las presiones son constantes y el

caudal se hace variar por la posición de la válvula (área de paso), en el control por presión ésta es variable, con lo que el caudal es proporcional a la raíz cuadrada de la caída de presión; si esta es la misma, en las líneas de gas y aire (o guardan una proporción constante), se conseguirá mantener la relación aire-gas en todo el campo de trabajo. En la figura 109 se tiene: a) presión del gas proporcional a la del aire; b) presión de consigna igual a la de la cámara de combustión; c) las dos presiones de gas y aire son iguales; b) presión de consigna igual a la del mezclador. (Figuras 109 y 110).

6.5.1 Control mecánico Tal como se ilustra en la figura 108 el posicionamiento de las válvulas de gas y aire no es independiente, sino que uno condiciona al otro, mediante'. un acoplamiento mecánico, por ejemplo. Ello obliga a que las válvulas de gas y de aire tengan la misma característica (caudal-posición) y a que la presión de ambos, antes de la válvula, sea la misma.

a)

b)

Señal de demanda Combustible

A quemador

e)

d)

Siste-ma de: levas

o pantógrafo

Figura 109. El aire a presión induce el gas que se regula a presión cero. Aire

Figura 108. La señal de demanda da lugar a la apertura de la válvula de combustible la que, al estar mecánicamente ligada a la del aire, ocasiona la apertura proporcional de éste.

148

Esto se consigue mediante un conjunto de válvula de control-regulador, siendo lo más usual instalar la primera en la línea del aire, y el regulador en la del combustible. Si éste es gas, el regulador suele ser de cero; consiste en una válvula accionada por un diafragma que recibe por un lado la presión de la línea de aire,

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CONTROL DE LA COMBUSTIÓN Y CONTROLES DE SEGURIDAD

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

y por el otro la contrapresión de la línea de gas. Cuando ambas pre son distintas, su diferencia actúa en el diafragma y opera la válvula, que sube el valor de la contrapresión hasta que se igualen ambas presi de ahí el nombre de regulador de cero. ·

¿

q

En los casos en que la presión máxima disponible en el gas sea menor del aire, no se puede conseguir la igualdad de presiones o la constancia d relación en todos los regímenes; en estos casos se transmite sólo una frac de la presión del aire, provocando un porcentaje de fuga controlada.

.4 Control electrónico ta clase de control es la que adoptan los desarrollos más modernos, al rrnitir el uso de nuevos sensores e introducir correcc10nes de temperatu' presión, poder calorífico, etc., realizar !~~ cálculos ~orrespondrentes Y roducir señales de salida eléctricas, neumaticas o h1drauhcas para actuar obre ]as válvulas correspondientes.

Aire: 1--1'----(l;!J-----Sitñal

Gas

a)

b)

Figura 110. En el quemador de mezcla en la boca de salida, la presión del gas se iguala a la del aire en un regulador de cero a) o se consigue conservar una proporción predeterminada b).

Si el combustible es líquido, éste debe llegar al quemador a presiones mucho mayores que la del aire; el regulador de cero es, como antes, un diafragma, pero construido de forma que la superficie del mismo actuada por el aceite es muchas veces menor que las del lado aire, con lo que se consigue el efecto de equilibrado con las dos presiones especificadas. La compensación del caudal de aire mínimo requerido para la atomización se compensa mediante una fuga controlada de combustible.

6.5.3 Control por caudal En este caso el control se realiza midiendo los caudales de combustible y aire mediante diafragmas, cuyas señales se reciben en un mezclador, de donde resulta la presión diferencial que actuará de forma que se ajuste el caudal de uno de ellos (aire) al otro (combustible). (Figura 111).

150

Figura 111. La proporción de aire-gas se realiza midiendo los caudales de ambos en diafragmas y controlando el gas como elemento primario, ajustándose luego el aire.

Esta clase de control se usa especialmente en los casos en que se usa aire precalentado, aire enriquecido o más de un combustible.

6.5.5 Control de la presión en el hogar Una presión constante en el hogar favorece el control de la ~elación aire/combustible, al proporcionar una presión constan:e tras 1~ valvula o re~ gulador; esto es especialmente importante si se traba¡a con tiro natural Y SI los quemadores son de inducción (de aire o gas). Una presión positiva evita entradas de aire exterior, lo que es una ~edida de ahorro energético. En general, con el gas y el aceite se suele traba¡ar con ·· de¡ or d en d e 25 ~· 50 m b ar, conseguidas con tiro forzado presiones pos1trvas con soplantes. Cuando el aire se precalienta con los productos de la com-

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COMBUSTIÓN y QUEMADORES CONTROL DE LA COMBUSTIÓN Y CONTROLES DE SEGURIDAD

bustión o si existen dispositivos de . . ., lavado, etc.) se instala ade , pu~1f1cac1on de estos productos , mas, un ventilador de tiro inducido.

Registro

Relé

hidra·ulico

Cámara de combustión

Figura 112. La presión de la cámara de ., relé hidráulico. combustwn se regula moviendo el registro mediante

is m:

~ombustibles sólidos, como carbón leñ . . l'.geramente negativas, menores de suelen exigir presiones del hoga tilador de tiro inducido en la ba d, 1 ahr, lo que se consigue con un ven,. ¡- t se e a c 1menea· p · ¡ ien a, se suele requerir un ventil d d . , ero s1 e aire se precaº.·. ª or e tiro forzado. La realización del control de la ., sas, según el tipo de hogar. pres1on puede efectuarse de maneras diver-· ~n la figura 112 se ilustra un sistema en el . f1ca mediante un relé hidráulic . _que la sena! de presión se amplimados. o que posICiona el registro de los gases queEn la figura 113 se muestra un sistema de control d que al tener un precalentador d . . e un hogar de un horno tilador de tiro inducido t eda1re requiere el uso simultáneo de un veny O ro e tiro forzado p · entre el caudal del aire y la pre . , d I h . ara evitar la interacción s10n e ogar el c d I d . . me d 1ante la manipulación d I d . ' au a e aire se controla e os os registros de e t d se manipulan simultánea y p . n ra a Y salida; si ambos ¡ roporc10nalmente en a presión del hogar; pero el controlad , no se P;oducen variaciones ral sobre uno de ellos para mantene I lor de esta actúa de modo unilater e va or correcto.

Figura 113. Los registros de entrada y salida deben interrelacionarse para mantener la presión del hogar constante al manipular uno de ellos.

6.5.6 Control de los contaminantes La producción de contaminantes en el proceso de combustión depende en gran medida del tipo de combustible utilizado. De menor a mayor, el hidrógeno es el combustible menos contaminante, ya que su único producto de combustión es agua, aunque también pueden formarse óxidos de nitrógeno; el gas natural produce, además, dióxido de carbono y puede dar lugar a monóxido de carbono e inquemados. Los aceites y el carbón, al contener azufre producen dióxido y trióxido de azufre. El monóxido de carbono y los inquemados se controlan conduciendo la combustión de modo que sea completa, lo que implica un buen mezclado de aire y combustible. Con el gas natural eso se consigue con excesos de aire bajos: porcentajes de oxígeno del 1 al 2 º/o. El fuel-oil pesado requiere excesos mayores: porcentajes de oxígeno del 2,5 al 3,5 %. La formación de los óxidos de nitrógeno se favorece con la temperatura, la presión y el exceso de aire. Con el gas se forman típicamente 100 ppm, con destilados ligeros 150 ppm, con aceite residual 250 ppm y con carbón 500 ppm.

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COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

Se deduce que el control de la formación de este contaminante se consigue reduciendo el exceso de aire (lo que coincide con el interés del aumento de] rendimiento) y reduciendo la temperatura de llama, lo que puede conse-' guirse reciclando parte de los productos de la combustión con el aire. Las partículas sólidas son propias de los combustibles sólidos, y se han de separar con filtros, ciclones, etc. El control del SO, debe realizarse por lavado (absorción de gases) o por tratamiento previo del combustible, o durante la combustión, como se detallará más adelante.

6.6 CONTROL DE LA SEGURIDAD El objeto de esta clase de control consiste fundamentalmente en interrumpir el suministro del combustible en caso de detectarse la extinción de la llama, evitando así que pueda formarse una mezcla explosiva de combustible-aire, que podría dar lugar a una explosión incontrolada. La existencia de un piloto no proporciona la suficiente seguridad, ya que también él puede apagarse, o incluso encendido no ser capaz de volver a encender con prontitud suficiente una llama apagada, o por no poder hacerlo por no ser adecuada la relación aire-combustible, o porque la atomización (combustibles líquidos) no es la adecuada. En cualquier caso, mejor que un piloto permanente se recomienda un piloto intermitente programado que comprueba sus efectos asegurando un purgado previo. El mejor sistema de seguridad consiste en un detector de llama que, en caso de fallo de detección de la misma, provoca el corte instantáneo del suministro de combustible mediante una válvula de cierre rápido, de apertura manual.

6.6.1 Válvula de cierre rápido automático Como su nombre indica, estas válvulas operan normalmente en posición abierta, por lo que son de paso total para evitar pérdidas de carga. Cierran automáticamente en caso de que reciban la señal de fallo de llama o cuando falla la corriente; en resumen, son de seguridad positiva (la seguridad se

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CONTROL DE LA COMBUSTIÓN y CONTROLES DE SEGURIDAD

]lama simple si sólo actúa al detectarse el d efecto )·, su r eapertura suele ser manual, para evitar falsas maniobras (Figura 114). Deben presentar las siguientes características: · ·, ªb·erta _ No deben ser bloqueables manualmente en posicwn i ' ya.dque d den . . , de actuar asegurando la segun ª e1 esta posición se hallan en situacion sistema. el _ Deben cerrar herméticamente, pues d e otro mo do podría acumularse d . no pue e ocurrir 0 . .ti. de g as en el hogar estando cerradas. Para asegurar que es , ·e con un d1sposi vo 1 ., en ningu'n caso se instalan dos va1vu as en sen , ' puesta a la atmósfera intermedio; al cerrar amb as, e¡ tr a mo de conex10n intermedio se comunica con la atmósfera. · t ema,. es decir' que cierran _ Han de ser sensibles a cualquier fallo d e1 sis ., d de pres10n e . , d · re fallo en casos de corte de corriente, fallo de pres10n e ai , gas o combustible, etc. . . la operac10n, ·' sea esta maHan de ser de reapertura fácil, para facilitar

nual o automática. Conviene que puedan cerrarse manua1mente,. Y qu e dispongan de un interruptor auxiliar. de modo que . _ Pueden ser de reapertura manual, si. el sistema se d·seña i . , d n ser de reapertura auel encendido lo realice un operario; tamb ,en pue e d.d . 1os progr amados de encen I o. tomática si el sistema se preve, con c1c . . Estas válvulas realizan el cierre en los s1gu1entes casos de fallo a que antes se ha hecho referencia de modo genérico: . . , en ca so de paro de la Soplante del aire de combustión o atorr:izaci?n; misma, se interrumpe la señal a la válvula y esta cierra. Fallos de la característica controla d a: temperatura, presión de un vapor, etc. -

Fallo de la presión del aire del quemador (presostatos de aire).

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CONTROL DE LA COMBUSTIÓN Y CONTROLES DE SEGURIDAD

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

Válvulas de supervisión Manivela reapertura manual

En el caso de hogares con quemadores múltiples, estas válvulas corresponden una a cada quemador y quedan bloqueadas automáticamente en posición cerrada cuando cierra la válvula de cierre automático. Si al intentar remontar ésta alguna de las válvulas de supervisión está abierta, la válvula de cierre automático vuelve a cerrar. Con ello se logra tener bloqueado el sistema, de modo que la maniobra de encendido consiste en abrir manual o automáticamente la válvula de cierre rápido, con todas las válvulas de supervisión cerradas. A continuación, ir abriendo una a una estas últimas válvulas, para proceder al encendido de cada quemador.

6.6.3 Dispositivos de vigilancia de llama

Figura 114. Válvula de cierre rápido que se halla en posición abierta con la bobina activada- si se recibe laseñal ofalla la corriente, cierra automáticamente. Su reapertura es manual. '

- Fallo de la presión del combustible en el quemador (presostatos de combustibles). Fallo de la corriente en el detector de llama. - Fallo de la corriente en otros controles (nivel de agua, sobrepresión, etc.). -

Fallos de las características que se consideren críticas en cada sistema.

~n algu_~os casos, y esto se debe considerar en el diseño específico de ]a m~talac1on de que se trate, la señal del fallo pasa por un temporizador cuyo ob}eto es retrasar la maniobra del cierre de un tiempo breve que evite Ja mISma en caso de que el fallo se elimine durante este lapso de tiempo, ya que, de lo contrario, debería procederse a la reapertura, manual O automática, siempre lenta. Ejemplo de ello sería la temporización de segundos en el caso de interrupción de corriente, por ejemplo.

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Se denominan también sensores o detectores de llama cuyo uso es imprescindible en sistemas por debajo de los 760 ºC; son dispositivos que son sensibles a la llama y permiten generar señales que directamente o amplificadas, actúen sobre la válvula de cierre rápido. Los principales sistemas utilizados, su principio de funcionamiento y el campo de aplicación son los siguientes:

Bimetales. Se basan en la deformación producida por el calor sobre un componente metálico constituido por dos metales de distinta dilatación térmica (arqueo de una lámina bimetálica, movimiento de un anillo o resorte, etc.). Su uso está limitado a algunos aparatos de uso doméstico. Termopares. Su principio reside en la propiedad que presentan dos metales de distinta naturaleza de crear una fuerza electromotriz por efecto del calentamiento del punto de soldadura. Como en el caso anterior, se utilizan en aparatos domésticos. Ninguno de ellos puede aplicarse en los hornos. Fotocélulas. Un material como el sulfuro de cadmio, genera una fuerza electromotriz al incidir sobre ella radiación visible. En el caso de la detección de llamas su inconveniente reside en que pueden seguir actividades, en caso de extinción de aquellas, si siguen recibiendo radiación de otras fuentes (paredes al rojo, por ejemplo). Detectores de infrarrojo. El sulfuro de plomo, por ejemplo, es sensible a la radiación del mismo modo que el sulfuro de cadmio lo era a la radiación visible. Se utilizan sobre todo para detectar fluctuaciones de llama.

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COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

Electrodo de llama. Aquí se utiliza la propiedad que tienen los gases ioniz"' dos de rectificar una corriente alterna; como las llamas contienen ione presentan aquella propiedad. Los electrodos se deben situar en la intersec. ción de la llama piloto y principal. Se emplean en quemadores de gas. N son aplicables en llamas reductoras o poco estables, si son de geometría variable, si la temperatura es baja o si los electrodos están sometidos a ra· diación. Detectores de ultra-violeta. Todas las llamas emiten una pequeña cantidad de radiación ultravioleta. Como existen sensores de ultravioleta (UV) que son' insensibles a la radiación visible e infrarrojo, no existe la posibilidad de que sigan activados por otras causas al extinguirse la llama. El sensor de UV ha· de situarse en la raíz de la llama, ya que, de otro modo, su sensibilidad 1 quedaría comprometida, al ser opacos a la radiación UV el vapor de agua y los productos de la combustión en general. En el caso de que el sensor deba protegerse, se ha de utilizar vidrio de cuarzo, al ser transparente al UV.

6.6.4 Sistemas de encendido Se recomienda encendido manual con llama (antorcha) en equipos que requieren el encendido con frecuencia. En los demás casos, se recomienda un sistema automático, que pueda también operarse manualmente. En equipos industriales se recomienda encendido por chispa o descarga eléctrica entre dos electrodos, o un electrodo y masa (quemador) colocado adecuadamente para que prenda la combustión. Las energías requeridas son bajas (del orden de los milijulios). Los transformadores de encendido proporcionan tensiones entre los 6 y los 11 kV.

6.6.5 Sistemas de operación automática Tanto en los sistemas de operación manual como en los automáticos está justificado disponer un conjunto de bloqueos que impidan que pueda producirse una mezcla explosiva en el recinto de un hogar o cámara de combustión. Antes de proceder a la alimentación del combustible, la cámara de combustión se purga con aire durante un tiempo suficiente como para asegurar

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CONTROL DE LA COMBUSTIÓN Y CONTROLES DE SEGURIDAD

que la concentración de combustible se haya reducido a valores por debajo del límite inferior de explosividad. Otra protección a prever es evitar el exceso de combustible en caso de fallo del control o del equipo, tal como se indica en la figura 115. Si ante un aumento de la demanda de calor el caudal de aire no aumenta en consecuencia, el selector bajo hará que el caudal de combustible siga al caudal de aire. Si es el caudal de combustible el que no disminuye al bajar la demanda de calor, el selector alto obliga al aire a seguir al caudal de combustible. Es decir, el aire manda sobre el combustible al aumentar la carga, y el combustible manda al aire, cuando disminuye aquella. Con ello se tiene también protección contra un fallo del ventilador o un atascamiento de la válvula de combustible. Los sistemas de supervisión pueden ser no programados o programados. Los primeros consisten en uno o más dispositivos de supervisión que proporcionan la correspondiente protección. En el período de puesta en marcha, detectan la presencia de la llama piloto en el punto adecuado para el encendido, con lo que desbloquean la válvula de cierre rápido y permiten su reapertura. Una vez encendida la llama principal, se recomienda que el sistema apague el piloto y la vigilancia se ejerza sobre la llama principal. Si falla esta, se produce el cierre instantáneo de la válvula de cierre automático, y se reanuda el proceso, en presencia del operario. Los sistemas programados son similares a los anteriores, pero prevén períodos de prepurga, postpurga y reencendido automático sin requerir la presencia de ningún operario. Ejemplo de un sistema programado con encendido por chispa es el siguiente: • Comprobación del caudal del aire. Asegurar que los presostatos funcionan ya que la presión del aire supera el valor admisible, y la del gas se halla entre el mínimo y máximo tolerados. • Funcionamiento del temporizador, con lo que se da tiempo suficiente como para que se produzcan cuatro renovaciones de aire en la cámara de combustión. • Activación de los solenoides del piloto y de la fuente de ignición eléctrica.

159

TRANSMISIÓN DE CALOR

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

7 Transmisión de calor Demanda de calor

--

7.1 INTRODUCCIÓN

Caudal de

~--Caudal de

aire corregido

Punto de consigna de combustible

combustible

Punto de consigno

del aire

Figura 115. El sistema asegura que en todo momento el caudal de combustible se halle por debajo del valor prefijado en función del caudal de aire.

• Se prueba el encendido de la llama piloto mediante chispa; se comprueba que la llama piloto se mantiene durante 15 segundos; si no se mantiene, se desactivan los solenoides y se debe remontar a mano para reiniciar.

La producción de calor, liberándolo a partir de la energía potencial química contenida en los combustibles, mediante un proceso de combustión, debe completarse asegurando la transmisión del mismo al lugar conveniente, por un lado, y evitando al máximo las pérdidas al ambiente, por el otro. Además, según sean las necesidades del proceso, los productos de la combustión salen del mismo con mayor o menor contenido energético. Ya se vio que esto podía cuantificarse mediante el factor fu de utilización del calor. Cuanto menor sea éste, mayor será el interés en realizar un proceso de recuperación de calor, lo que supone resolver un nuevo problema de transferencia. La transmisión de calor se realiza por tres vías distintas:

• Encendido el piloto, se activa el circuito que permite la apertura manual o automática de la válvula de cierre rápido, así como del cierre rápido de la llave de venteo. • A los 15 s de encendida la llama principal, se desactivan las llamas piloto y se cierran. • Se comprueba la llama principal. • Se pasa a control por regulación del sistema. Es muy importante realizar programas periódicos de mantenimiento preventivo de los controles y sistemas de seguridad, ya que al ser poco frecuente su uso operativo, se tiene tendencia a abandonarlos, con lo que se hacen inseguros, cosa impropia y contradictoria con su función.

Conducción. Convección. -

Radiación.

Éstas no son siempre independientes, sino que a menudo se presentan en situaciones mixtas. En lo que sigue se plantearán las generalidades del tema, centrando la atención en algunos problemas más frecuentes.

7.2 LA ECUACIÓN GENERAL DE LA TRANSFERENCIA

DE CALOR El flujo de calor = (18. 6,47 + 45. 4,61) 45 =14.576 W= 14,58 kW 2 ptas/termis1,72 ptasikWh 14,58 . 4.000. 1,72 =100.300 ptas. • Calcular el coeficiente pelicular de gases de combustión a 90 ºC que pasan por el interior de un tubo de 50 mm de diámetro interior, con una velocidad de u =12 m/s. s_olución Se aplicará Nu"' 0,018 . R,0 ' 8 Con los valores de la figura 11

d,.u -

Re =

V

0,050 .12 =27.900 21,5. 10-16

con lo que N,=0,018. 27.900°•8 =64,8 0,0313 K yh,=N,. =64,8. - - - =40Wim 2 K d, 0,05 • Por un haz tubular con tubos de 60 mm de diámetro exterior, disposición lineal y paso cuadrado de 1,25 circula aire caliente a 150 ºC, con una velocidad en el espacio entre tubos de 10 m/s. Calcular el coeficiente pelicular del tubo limpio. Solución N,=0,18 R,,o,6s 6 28,94. 10-

R = 0,0 0 · 1º e

20.732; P,=0,683 e,=1,25-0,15 =0,9671

N =115·h =115. "

'

e

K

d

e

0,0356 =115.---=68Wim 2 K 0060 '

La fórmula da el valor del coeficiente para un tubo de la tercera fila. El de la primera es el 60 %; y el 90 %. La media, si hay cuatro filas es:

166

167

TRANSMISIÓN DE CALOR

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

68. 0,6+68.0,9+2,68 4

para todas las longitudes de onda, el cuerpo se llama gris y la expresión de la energía irradiada es:

59,5 Wim 2 K

2- )'

q = 5,67 e ( ' 100 E

log E

En realidad, como todos los cuerpos radian, el intercambio neto es (siendo e' una función de las emisividades y posición relativa de las superficies):

q=5,67 e'

[e:~) ~ C~o )J

A diferencia de los sólidos, los gases presentan espectros discontinuos o, como en el caso del 02 y del N,, son transparentes a la radiación. En la radiación de las llamas y productos de la combustión tienen interés los comportamientos del vapor de agua y del dióxido de carbono.

Figura 118. Distribución de la energía radiante del cuerpo negro, en función de la longitud de onda.

Aunque la teoría general es aplicable para estos gases, los cálculos son laboriosos, por lo que es preferible utilizar fórmulas prácticas más sencillas como la de Schack que, además, son suficientemente exactas; para los dos gases en cuestión, da:

7.4 RADIACIÓN Todos los cuerpos emiten radiación distribuida en longitudes de onda y de acuerdo con su temperatura. La ley de Plank tiene como representación gráfica la figura 118, en que se da la distribución de la energía radiante del cuerpo negro para distintas temperaturas. El área bajo cada curva representa la energía total radiada, cuyo valor es, por unidad de superficie:

q,=5,67. ( 1 : )'

qco, = 4,07

. 3~ (

2- )

305

100

(2- )

3

qH 2o=4,07. pº· 8 • sº•6

100

en la que p es la presión parcial del gas en bar y s el espesor medio de la capa gaseosa en m. (Figura 119). Las fórmulas anteriores tienen el inconveniente teórico de que en la transferencia entre los gases y una pared, no puede utilizarse la ley de la cuarta potencia. En la práctica lo que se hace es tomar, en vez de la pared, el propio gas a la temperatura de la pared, con lo que:

Los cuerpos sólidos dan espectros de emisión como el de la figura; pero con valores más bajos, a causa de que su emisividad es menor que 1. Si la emisividad e no es selectiva en función de l\, sino aproximadamente constante

168

169

TRANSMISIÓN DE CALOR

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

.

Dimensión D

factor 5

Cilindro de longitud infinita

Diámetro

0,90

Cilindro circular recto, de diámetro igual a altura, que irradia hacia el centro de la base

Diámetro

0,72

Forma geométrica

·.

Cilindro circular recto, de diámetro igual a altura, irradiando a toda la superficie

.

y la temperatura media de los gases se toma igual a:

...

(1.400-900)-(1.100 -700) = 8 0 0 + - - - - - - - - - =1.250K 500 1'T, 10 I400 n 1'T2

1'T1 -1'T2

El recorrido medio se toma el del cilindro infinito: 0,9Xd=0,9m

Diámetro

0,60

Radio

1,26

1 .0,15=0,15 bar; PH,o=1 .0,10=0,10 bar.

Separación

1,8

1.250) • 2 qco,=4,07\/0,15.0,9 ( =14.420Wlm 100

Arista

0,6

El valor de Peo,:

Cilindro infinito, sección semicircular

Dos planos paralelos infinitos Cubo

35

Espacio exterior haz tubular de tubos de diámetro d, y pasos s, y s,

s1 +s2

-d,

7<

51

+s2

-d,

;¡¡7

r calculable por:

0-d1

10 m

Fuel-oil pesado 0,2

o

el valor de Erw (grado de emisión entre llama y pared) se puede leer en la figura 122 para distintos combustibles, en función del diámetro de llama dF y la diferencia D - dr.

o

· --- • · --,L1__1L6--:11:,o--:2!--:,,-=-m-'--:;l,O 0,º 0,t. 1

'

Diámetro de la liorna , dr

Figura 122. Emisívidad entre la llama y la pa~ed fría en fundón del diámetro de la llama y el diámetro de la cámara de combustión, para d1stmtos combustibles.

. 123 en función de También cJ:>r puede leerse directamente en 1a fgura 1 Erwydr /D.

174

175

A

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

TRANSMISIÓN DE CALOR

El va1or de h,,. que corresponde a ,la .película interna del tubo, se calcula T!:'mperaturo del aire 20° C Valor de oH +Tl>S=-l>G.

en donde H es la entalpía, S, la entropía y G el potencial de Gibbs. Se deduce: -t>G E=---96.500.n

)dq

En un sistema fluyente en el que un fluido tenga una entalpía h y una entropía s, su exergía se calcula por: e=h-h0 -T0 (s-sol

Con estas definiciones ya se pueden plantear y resolver balances exergéticos, pero en las combustiones falta introducir la exergía del combustible. Ésta se puede tomar, aproximadamente, igual al poder calorífico superior, del combustible, lo que es prácticamente cierto en el caso de los líquidos. En los gaseosos se trata de un valor ligeramente en exceso. En cada parte de la instalación en que se desee realizar el balance exergético, se identifican las corrientes de entrada y salida, las entradas y salidas de 192

calor y de trabajo. La diferencia entre ¡~ ~xergía total entrada y salida proporciona la pérdida exergética (irreversibilidad del proceso).

siendo n el número de electrones por molécula. por molécula de Si. e1 n u' mero de moléculas de oxígeno estequiométrico =4 ¡ e· combustible es m la igualdad electrónica implica n - m, con o qu . -t>G E

386.000.m

El rendimiento de la pila se define por la relación entre el trabajo teóricamente producido y la entalpía: -l>H + TAS

-l>G ~=

-l>H

=

-l>H

l>S =1-T

t>H

193

COMBUSTIÓN Y QUEMADORES

BIBLIOGRAFÍA

Ejemplo: Determinar el potencial eléctrico y el rendimiento teórico de las

pilas de combustibles que utilicen H,, C, CH., con los siguientes datos 6.G y AH, en kj/mol H2:

L,G=-237,2 -394,4 -818,5

C:

CH 4 :

L,H=-285,8 -393,8 -891,0

. .

,

Tech-

M. Douspis. Les brüleurs industriéis a gaz. Direction des Etudes et niques nouvelles. Gaz de France, 1984. Gas Engineer's Handbook - Industrial press. New York. 1969. La Combustión des Gas et les Flammes. ATG, Paris 1973.

Solución

El valor de m respectivo (mol O, por mol de combustible) es de 0,5; 1; 2, con lo que: EH,= E,=

EcH,=

386.000. 0,5

=1,23 V

237,2

~H,=

394,4 .10 3 386.000.1

=1,02 V

~,=

818,5 .103 386.000.2

El Kazantsev. Industrial Furnaces. Mir publishers. Moscú, 1977. R. Günther. Feuerungstechnik. Universitat Karlsruhe (T.H.) 1975.

Rivkin. Propiedades termodinámicas de los gases. Mir. Moscú, 1979.

+237,2.10'

=1,06 V

-285,8

394,4 393,8

=0,83

818,5 'lCH,=

891,0

North American Combustión Handbook, 2." Ed. Cleveland, Ohio 1978. Eclipse Engineering Guide,1986

=1,00

=0,919

En años recientes se ha impulsado considerablemente la investigación y el desarrollo de estas pilas de combustible. A pesar de todo ello su utilidad práctica se considera menor, ya que, por razones técnicas y económicas, no parece que puedan aplicarse a instalaciones de gran potencia. Así, hasta la fecha se han utilizado en situaciones especiales, como en viajes espaciales, en donde la economía no desempeña un papel esencial.

194

Bibliografía

.

Manual técnico sobre la utilización de combustibles líquidos en la industria.

Campsa. 1985. Günter Cerbe, et al. Grundlagen der Gastechnik, 4, Ed. Hanser Verlag, München1992. Irving Glassman.Combustion.3'ª edition. Academic Press, San Diego, 1996.

195