Investigacion Combustibles en La Aviacion

COMBUSTIBLES EN LA AVIACION Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticoman

Equipo:  Gómez Hernández Christian  Martínez Bonifacio Diana Karen  Ortega Morales Waldemar Emiliano  Serrano Gómez Joshua  San Agustín Saúl Chazarin  Vázquez Téllez Irving Eduardo  Vega Rodríguez Jorge

31 DE ENERO DE 2015 La técnica Al servicio de la patria…

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Índice Introducción…………………………………………………………………………………………….……………2 Definiciones………………………………………………………………………………………………….….…..3 Propiedades de los combustibles…………………………………………………………………………..5 Numero de Octano……………………………………………………………………………………..…………6 Detonación/ Índice de Octano……………………………………………………………………………....7 Numero de potencia Mecánica………………………………………………………………………………9 Actores de Detonación………………………………………………………………………………………….10 Clasificación de los combustibles…………………………………………………………………….…….12 Combustibles Sólidos………………………………………………………………………………..12 Combustibles Líquidos……………………………………………………………………………...14 Combustibles Gaseosos…………………………………………………………………………....17 Clasificación de los combustibles en aviación………………………………………………………..19 Requisitos de calidad de los combustibles para la aviación………………………………..….21 Grados de las gasolinas utilizadas en aviación…………………………………………………….…23 Aditivos………………………………………………………………………………………………………….………24 Combustión en los motores rotativos…………………………………………………………….………25 Procesos de combustión y análisis de los productos de la combustión…………………………………………………………………………….……29 Impacto Ambiental………………………………………………………………………………………………..34 Principales contaminantes……………………………………………………………………………….……34 Biocombustibles…………………………………………………………………………………………………….35 Combustibles Alternativos……………………………………………………………………………………..37 Conclusión………………………………………………………………………………………………………..……40 Bibliografía…………………………………………………………………………………………………………….42

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Fundamentos de Motores de Combustión Interna INTRODUCCIÓN

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DEFINICIONES Combustible: Llamamos combustible a toda sustancia natural o artificial, en estado sólido, líquido o gaseoso que, combinada con el oxígeno produzca una reacción con desprendimiento de calor. Para que una sustancia sea considerada como combustible a nivel industrial deberíamos exigirle algunos requisitos más, por ejemplo:    

disponibilidad en grandes cantidades bajo costo de operación (obtención, transporte y almacenaje) aplicabilidad (poder quemarla con la tecnología actual) poder calorífico razonable

Poder calorífico: Es la energía liberada en la combustión completa de una unidad de combustible una vez que los productos se llevan a las mismas condiciones de presión y temperatura que los reactivos. Poder calorífico inferior (Qi): El agua producto de la combustión se considera en estado de vapor. Poder calorífico superior (Qs): El agua producto de la combustión se considera en estado líquido. Dependiendo de si el proceso se da a presión o a volumen constante tendremos dos poderes caloríficos distintos: Qp y Qv. En general los procesos de combustión que se presentan en las calderas son a presión constante, o prácticamente constante. En ese caso la relación entre el Qps y el Qpi es:

Qps= Qpi+ 9.H.hfg (Para aquellos combustibles que no tienen agua en su composición) H = cantidad de hidrógenos en el combustible hfg= entalpía de cambio de estado del agua a 1 ata

Combustión: Se entiende por combustión, la combinación química violenta del oxígeno (o comburente), con determinados cuerpos llamados combustibles, que se produce con notable desprendimiento de calor. Para que se produzca la combustión, las 3 condiciones ya nombradas deben cumplirse, es decir que sea: una combinación química, que sea violenta y que produzca desprendimiento de calor. Analizaremos una por una:

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Debe haber combinación química, los productos finales una vez producida la combustión debe ser químicamente distintos a los productos iníciales. Ej. : Antes de producirse la combustión tenemos combustible y oxígeno. Producida la combustión ya no tenemos combustible y oxigeno mezclado, sino gases de combustión.

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La combinación química debe producirse violenta e instantáneamente. Ej. : Una lámina de hierro colocada en la intemperie se va a oxidar lentamente, luego de cierto tiempo, al combinarse con el oxígeno del aire. Pero esto no es combustión sino oxidación, porque el desprendimiento de calor se produce muy lentamente después de un tiempo.



Debe haber un desprendimiento de calor, se debe liberar cierta cantidad de calor.

Para que se produzca la combustión se necesita oxígeno, el cual se encuentra en el aire, el que desperdiciando los gases que se encuentran en pequeña proporción, está constituido por 23 % de oxígeno y 77% de nitrógeno. También es necesario que la temperatura en algún punto de la mezcla de oxígeno y combustible, adquiera un determinado valor. Una combustión se considera imperfecta, cuando parte del combustible, que entra en reacción, se oxida en grado inferior al máximo, o no se oxida. La combustión es completa cuando el combustible quema en su totalidad, ya sea perfecta o incompleta. Todos los combustibles utilizados en los diversos procesos industriales están constituidos únicamente por dos sustancias químicas, el carbono y el hidrógeno los cuales están unidos entre sí, formando los diversos combustibles utilizados. La propagación de calor debe cesar para un valor finito de la velocidad de inflamación. Por lo tanto, la buena combustión está comprendida dentro de dos valores, límites definidos de la velocidad de inflamación de la llama, y son los llamados límites inferiores de inflamación que se produce cuando falta combustible, y límite superior de inflamación que es cuando falta oxígeno. La forma de producirse la combustión varía según el estado del combustible, lo cual veremos a continuación: Los combustibles son elementos que se los utilizan en los procesos industriales para la producción de calor. Son formaciones de origen orgánico, animal o vegetal, que sufrieron los efectos de los movimientos y plegamientos terrestres. Están constituidos principalmente por carbono e hidrógeno, los que según vimos al combinarse con el oxígeno queman, desprendiendo calor. El carbono es el elemento que constituye el mayor porcentaje volumétrico del combustible, constituyendo el 80 a 90 % volumen del mismo. El carbono no arde directamente, sino que es llevado al estado de incandescencia por el hidrógeno. El hidrógeno constituye el 5 o 6 % de los combustibles sólidos y el 8 al 15 % de los líquidos. La presencia del oxígeno en la molécula de combustible, le resta al mismo poder calorífico, ya que, se va a combinar con parte del hidrógeno que tiene, para formar agua. En el combustible también se puede encontrar el azufre desde 0.5 % en combustible líquidos hasta 1 o 1.5 % en carbones, y el nitrógeno (en carbones) de 0.7 hasta 9.3 %. 4

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PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES Las propiedades más relevantes de los combustibles son:  La composición (y contenido de impurezas).  La entalpia estándar de reacción (también llamada poder calorífico, en valor absoluto).  La densidad y coeficiente de dilatación (para el almacenamiento y transporte).  La entalpia de vaporización (conviene que sea baja);  la presión de vapor (conviene que sea alta para que no haya que gasificar artificialmente).  Los límites de ignición (por chispa), auto inflamación y extinción.  La toxicidad.  La compatibilidad con otros materiales (tubos, juntas, válvulas, bombas, etc.).  Punto de fluidez: temperatura más baja a la cual el combustible líquido fluye en las cañerías en condiciones normales.  Viscosidad cinemática: medida de la resistencia del fluido al escurrimiento. Se determinan en viscosímetros, midiendo el tiempo que demora el combustible en escurrir a través de un orificio calibrado.  Viscosidad dinámica: es el cociente entre la viscosidad cinemática y la densidad. Flash Point: temperatura más baja del combustible a la que se forman vapores inflamables.  Límites de inflamabilidad: porcentaje de gas presente en la mezcla gas-aire. Hay dos: límite inferior y límite superior. Para que la combustión se produzca la mezcla se debe encontrar entre estos dos valores. Límite Inferior Limite Superior Metano 5% 15% Propano 2% 10% Butano 1.8% 8.4% Acetileno 2.5% 80%

Hay dos tipos de análisis que caracterizan a un combustible a) Análisis próximo. En este ensayo se determina:-contenido de humedad-contenido de volátiles-contenido de carbono fijo-contenido de cenizas) b) Análisis último. Indica la cantidad de cada componente elemental del combustible (carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre, etc.)Para combustibles sólidos y líquidos esta composición se da en porcentaje en peso, mientras que para combustibles gaseosos se de en porcentaje en volumen.

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NUMERO DE OCTANO Numero de octano (NO): Parámetro utilizado para la medición de la mayor o menor tendencia a la detonación. Es una propiedad esencial en los carburantes utilizados en los motores de encendido por chispa, es decir en motores que emplean bujías y que siguen un ciclo termodinámico en el que su comportamiento se asemeja al descrito por el Ciclo Otto. En efecto, la eficacia del motor aumenta con altos índices de compresión, pero solamente mientras el combustible utilizado soporte ese nivel de compresión sin sufrir combustión prematura o detonación.

Los combustibles empleados en MEP deben poseer una baja tendencia a la autoinflamacion (Evitar detonación). El valor numérico del NO de un combustible indica el porcentaje en volumen de iso-octano (NO=100) contenido en una mezcla con n-heptano (N=0) que muestra el mismo comportamiento respecto a la detonación que dicho combustible. Es usual la aditivación para alcanzar NO elevados. Al ser el NO una escala relativa que se define el Índice de Potencia (Performance Number) para aquellos combustibles con NO superior a 100.

Métodos de medida estandarizados en motor monocilíndrico:  

Research Octane Number(RON) Motor Octane Number (MON) (Mayor esfuerzo Térmico)

RON- MON = Sensibilidad del Combustible

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DETONACIÓN / ÍNDICE DE OCTANO La detonación es la inflamación súbita de la mezcla en el cilindro. Es una forma de combustión muy irregular, distinta de la normal. En condiciones normales de funcionamiento las bujías inflaman la mezcla carburada y la llama se propaga rápidamente por todo el volumen de la cámara de combustión.

El término propagación progresiva de la llama, es la clave de la combustión normal; señala que transcurre un tiempo, aunque corto, en producirse. Ahora bien, la propagación de la llama es diferente en unas condiciones anormales de funcionamiento que se conocen como detonación. Cuando un motor funciona con detonación, la presión que origina la parte de la mezcla que se inflama contra la que no se ha inflamado todavía es tan alta, que provoca su inflamación espontánea, en una explosión precipitada. La figura es una muestra de la oscilación de la presión del gas en la cámara de combustión en condiciones de funcionamiento normal y con detonación.

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Nótese, en particular, el pico alto que alcanza la presión de gas que se produce en fase de detonación. Las vibraciones del motor y la acción irregular de la presión del gas sobre el pistón dan origen a un ruido característico (perdigoneo), que identifica la detonación. El funcionamiento en este régimen produce sobrecalentamiento del motor y hay pérdida de potencia, además de la posible aparición de averías mecánicas internas importantes. La resistencia del combustible a detonar se mide por el índice de octano, referencia que se adoptó de forma experimental. Se descubrió que las gasolinas ricas en heptano, un hidrocarburo con siete átomos de carbono, eran muy detonantes, y a la inversa, las gasolinas con gran proporción de isoctano tenían gran resistencia a la detonación. El índice de octano asegura que una gasolina probada en un motor experimental se comporta, desde el punto de vista de la detonación, igual que una mezcla de gasolina que tiene como porcentaje de isoctano el número indicativo de la gasolina, y el resto, hasta 100, de heptano. Así, una gasolina de 98 octanos se comporta en el motor experimental de laboratorio igual que una gasolina mezcla de 98% de isoctano y 2% de heptano. En la imagen se puede ver un pistón afectado por detonaciones. La gasolina se mezcla con compuestos antidetonantes para aumentar su resistencia a la detonación, empleándose el plomo tetraetilo (TEL). Antiguamente se usaban el plomo tetra metilo, anilina y níquel tetracarbonilo. Pero esto presenta algún inconveniente, como la formación de óxido de plomo, que es un compuesto que se adhiere a las superficies internas de la cámara de combustión, pudiendo dar lugar a puntos calientes. Además funde a temperatura elevada y no se volatiliza fácilmente. Por esta razón se añade a la gasolina con plomo dibromuro de etilo. La cantidad de tetraetilo de plomo que se mezcla con la gasolina de aviación es pequeña. 8

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NUMERO DE POTENCIA MECÁNICA: El índice de octano se quedó pronto pequeño con la aparición de gasolinas muy refinadas que superaban el poder antidetonante del isoctano. Por ello se definió el Número de Potencia. Este expresa el porcentaje de potencia máxima (libre de detonación) que se puede obtener del motor que emplea dicha gasolina, comparada con la potencia, también sin detonación, que se obtiene en el mismo motor con isoctano, o con una gasolina de Octano 100. Se expresa normalmente con dos índices, separados por una barra vertical (por ejemplo 100/115). El primer número indica el NP que se puede obtener funcionando el motor con mezcla pobre y el segundo funcionando con mezcla rica. La capacidad antidetonante de una gasolina es mayor con mezcla rica, porque el combustible en exceso actúa de refrigerante en la cámara de combustión y disminuye la temperatura del gas en la cámara, alejando el peligro de detonación.

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ACTORES DE DETONACIÓN Todas las variables que tienden a aumentar la temperatura de la mezcla que entra en el cilindro son factores de riesgo de detonación. La temperatura de la mezcla es el factor simple más importante que afecta a la detonación. Así pues, son factores que favorecen la detonación:    

Relación de compresión del motor alta, porque aumenta la temperatura de la carga de aire que se introduce en el cilindro. Temperatura del aire ambiente alta. Temperatura de culata de cilindros alta. Presión de admisión alta.

Aunque no es el caso actual, se daba con relativa frecuencia la creencia errónea de que un motor puede suministrar mayor potencia con una gasolina de mayor octanaje que el mínimo necesario para estar libre de detonación. Si un motor funciona sin detonación con una gasolina de 87 octanos, ninguna potencia adicional se obtiene por usar gasolina de 100 octanos. Lo que ocurre es que el empleo de gasolina de 100 octanos permitirá diseñar un motor similar pero con mayor compresión. Esta última variable si es un factor que determina un aumento teórico de la potencia del motor. El aumento de la relación de compresión significa una mayor carga de aire (mezcla) en los cilindros. También es cierto que si un motor tiene problemas de detonación con el empleo de gasolina de 87 octanos, y no puede desarrollar toda la potencia de que es capaz por la marcha irregular del motor, el empleo de gasolina de 100 octanos podrá, en su caso, eliminar la detonación y permitir explotar todas las posibilidades de potencia del motor. El avance del encendido depende principalmente de la velocidad de propagación de la llama, por lo que hay que tener en cuenta que cambiando el octanaje, cambiamos la velocidad de propagación de la llama y por lo tanto el avance del encendido (aunque bien sabemos que este bien fijado por el calado de las magnetos, una gasolina diferente tiene características diferentes, produciendo cambios en su comportamiento). En los motores de aviación es necesario aumentar el avance al encendido al aumentar la altura de vuelo, ya que disminuye la velocidad de la llama y la presión de alimentación. Un motor viene diseñado para el uso de un combustible de octanaje determinado, por lo que siempre será aconsejable usar el combustible especificado. Si por algún motivo no está disponible el especificado, puede usarse de mayor octanaje ocasionalmente, no habrá peligro de detonación, pero el motor tendrá un régimen de trabajo diferente al calculado, con lo que aunque funcione aparentemente bien o incluso mejor, está sufriendo. Lo que nunca hay que hacer, es echarle de menor octanaje, ya que pueden aparecer detonaciones que pueden 10

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conllevar graves averías mecánicas internas en el motor, aparte de perdida de rendimiento, mala refrigeración , etc., etc.. Numero de Cetano: Los combustibles para MEC deben poseer elevada tendencia a la autoinflamacion ( Evitar marcha dura) Numero de Cetano (NC): Parámetro de medida de la tendencia a la autoinflamacion de un combustible, estrechamente relacionada con el tiempo de retraso. El valor numérico de NC indica el porcentaje en volumen del nCetano (C16H34)(NC=100) contenido en una mezcla con metilnaftaleno(C10H7CH3)(NC=0) en ensayos estandarizados.

Otras propiedades     

Densidad (MEP y MEC), Viscosidad (MEC) Estabilidad en almacenamiento Compatibilidad con materiales Propensión a contaminación Bacteriológica Conductividad eléctrica (Peligro por electricidad estática)

Normativas:   

Europa: Gasolinas EN 228-Gasoleo EN 590 España: Empleo de los estándares europeos según R.D. 61/2006 EEUU: ASTM D 4814 /ASTM D 910 “Standard Specification for Aviation Gasolines”

PREENCENDIDO El preencendido es la combustión prematura de la mezcla en el cilindro debido a la presencia de puntos calientes en la cámara de combustión, normalmente focos incandescentes de carbonilla, depósitos metálicos en las bujías, etc. No ha de confundirse con el autoencendido, que es por alcance de presión, densidad y temperatura críticas de la mezcla, dando lugar a su auto ignición. La evolución de la presión del gas durante el preencendido no muestra oscilaciones violentas, como en la detonación, pero hay una pérdida de potencia del motor porque la combustión se produce a destiempo, pudiendo forzar al pistón a desplazarse hacia atrás, ya que la combustión se produce antes de que el pistón llegue al punto muerto superior.

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CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES Según la norma UNE 23010 se clasifican en: 

 

Fuego de Tipo A: Son fuegos de materiales sólidos, y generalmente de naturaleza orgánica donde la combustión se realiza normalmente con formación de brasas (madera, tejidos, etc.) Fuego de Tipo B: Son fuegos de líquidos o sólidos licuables (gasolina, grasas, etc.) Fuego de Tipo C: Son fuegos de gases. Por ejemplo butano, gas natural

Un concepto que se debe tener presente es que ningún cuerpo arde en su masa o volumen, sino que lo que se quema son los vapores que se desprenden al alcanzarlas temperaturas de ignición, inflamación o autoinflamación. COMBUSTIBLES SÓLIDOS El proceso de combustión de estos combustibles difiere bastante con respecto a los combustibles líquidos y los gaseosos.

La buena o mala combustión del sólido depende de la facilidad del acceso del aire ala diversas partículas del combustible. Estas deben estar distribuidas uniformemente sobre la superficie de combustión, no se debe encontrar amontonado o agolpado. El proceso de combustión de un sólido está dividido en cuatro períodos o fases a saber:  





Secado del combustible: Al comenzar a recibir calor, el combustible se seca, evaporando la humedad que posee, convirtiéndose en vapor de agua. La destilación: Comienza cuando se ha evaporado toda la humedad del combustible. Este se compone de hidrocarburos más simples, comenzando a quemar los más volátiles (requieren menor temperatura de inflamación. Al aumentar la temperatura debido a la combustión de los primeros hidrocarburos que queman se alcanzan las condiciones para que se quemen los hidrocarburos menos volátiles, casi todos los componentes activos del combustible. Quemadas todas las sustancias volátiles, la llama se apaga. Quedando las cenizas del sólido, considerándose la escoria y los componentes inactivos.

Entre ellos podemos encontrar:

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Maderas: utilizados como combustibles en bosques o en estufas hogareñas (poder calorífico hasta 4500 cal / Kg. secos).

Carbones fósiles: cuantos más antiguos son los restos orgánicos y mayores presiones soportan, mayor es la cantidad del carbón. Antracita: son los carbones más antiguos. Tienen gran contenido de carbono y pocos materiales volátiles y oxígeno. (NS = 7800 a 8600 cal /kg). Hulla: son los carbones más utilizados en la industria, se distingue tres tipos: hulla seca, hulla grasa y la hulla magra. 

 

Hulla seca: hornos de arrabio y en la producción de coque metalúrgico. (NS = 7500 cal / kg.) Hulla grasa: en la producción de gas alumbrado y coque. (NS = 8300 a 8600 cal / kg.) Hulla magra: desprende pocas materias volátiles. (NS = 7900 a 8370 cal / kg.).

Todas las hullas son de color negro o gris oscuro. Lignito: son combustibles que proceden de la carbonización natural de la madera. Al quemarse desprende el azufre provocando mal olor y daños en metales y estructuras. Hay dos tipos distintos:  

Lignitos perfectos: más antiguos (poder calorífico = 6000 cal / Kg.) Lignitos leñosos: más jóvenes. (poder calorífico = 5000 a 5700 cal /Kg.)

Turba: son carbones de menor calidad. De 3200 a 4000 cal / Kg. = NS. Residuos orgánicos: son restos muy grasos comprendidos entre los carbones y el petróleo. Prácticamente no se utilizan. Carbón vegetal o de leña: provienen de la carbonización de la madera. NS = 6000 a 7000 cal / Kg., no contiene azufre. 13

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COMBUSTIBLES LÍQUIDOS Al calentarse un combustible líquido, existe un período de destilación en el cual el líquido se descompone en diversos componentes volátiles. Se debe distinguir dos casos según la forma en que se queman. Si son suficientemente volátiles para que al calentarse emitan vapores en suficiente cantidad como para continuar ardiendo, se comporta como un combustible gaseoso En cambio, en los líquidos menos volátiles no es necesario efectuar una vaporización para que se produzca la combustión. En tal caso se forma una mezcla de aire combustible, conservándose este último en estado líquido todavía, aunque finalmente pulverizado, constituyendo una mezcla carbónica. Por ejemplo esta mezcla se produce en un carburador de un motor a explosión. El punto de inflamación es aquel para el cual el líquido desprende materias volátiles inflamables. Cuando la temperatura y la presión alcanza determinado valor la propagación del frente de combustión se hace más rápida que en condiciones normales. Los combustibles líquidos presentan, en general, mejores condiciones que los sólidos para entrar en combustión. Los combustibles líquidos son sustancias que se las obtienen por destilación, ya sea del petróleo crudo o de la hulla. Sometiéndolos a procesos térmicos se puede obtener mayor diversidad de productos derivados. El punto de inflamación es la temperatura a la cual el combustible, al ser calentado y producirse la inflamación por un foco exterior, comienza a presentar por primera vez una llama corta. El punto de combustión, que se produce por encima del punto de inflamación, es la temperatura a la cual el combustible es capaz de proseguir por si solo la combustión, una vez que este se ha iniciado en un punto de su masa. El punto de inflamación espontáneo, se produce a aquella temperatura a la cual el combustible es capaz de entrar por si solo en combustión, sin necesidad de un foco exterior que la produzca. Este punto depende de la presión a la que se halle sometido el líquido. Si la presión es mayor, menor será la temperatura de inflamación.

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Entre los combustibles líquidos tenemos: Petróleo: El petróleo, llamado también oro negro, se ha formado en épocas muy remotas. Su origen responde a restos fósiles, depositados en las profundidades. Los petróleos están constituidos por distintos hidrocarburos, de distintos grados de densidad y volatilidad. La diversidad en las proporciones en los elementos que los componen, hacen que difieran fundamentalmente las características del petróleo obtenido en lugar con respecto al obtenido en otro sitio. Los diversos subproductos obtenidos, tanto en la dilatación primaria como en la secundaria, son sometidos a procesos de refinación, con el objeto de eliminar los componentes indeseables y nocivos que puede contener los mismos. El petróleo en estado crudo tiene muy poco uso como combustible, pues desprende vapores sumamente inflamables. Si la destilación primaria y secundaria a la que se somete el petróleo se obtiene una gran diversidad de subproductos, los principales de los cuales se indican en el cuadro siguiente conjuntamente con el uso al que se los destina. Nafta: Es un combustible altamente volátil, muy inflamable y es utilizado, sobre todo, como combustible para motores a explosión. Su poder calorífico es 11000 cal / Kg. Kerosene: Constituye un derivado menos volátil e inflamable que la nafta. Su poder calorífico es de 10500 cal / Kg. Se utiliza en calefacción y en las turbohélices y reactores de las turbina de gas de los motores de aviación. Gas-oil: es denso, menos volátil que el petróleo. Su poder calorífico es igual a 10250 cal / Kg. Se lo utiliza mucho en calefacción y para hornos industriales y metalúrgicos. Diésel-oíl: es un subproducto obtenido de los derivados más pesados del petróleo. Se quema más lentamente que el gas-oil. Se utiliza sólo en motores Diésel lentos en los cuales el combustible dispone más tiempo para quemar. Su poder calorífico es de 11000 cal / Kg.

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Fuel-oíl: es un subproducto obtenido de los derivados más pesados del petróleo. Se quema con dificultad. Su poder calorífico es igual a 10000 cal / Kg. Alquitrán de hulla: es un subproducto obtenido de la fabricación del coque. Puede quemar directamente pero se lo utiliza poco como combustible, usándolo sólo en hogares especiales para este, que puedan vencer la viscosidad del mismo. Su poder calorífico es de 9100 cal /Kg. Alquitrán de lignito: se lo obtiene de la destilación del lignito. Su poder calorífico es 9600 cal / Kg. Es muy similar al gas-oil, pero al utilizarlo en motores diésel, su comportamiento es muy inferior del de los derivados del petróleo. Alcoholes: pueden quemar muy fácilmente. Tienen diversos orígenes (derivaciones de: petróleo, vino, papas, etc.). Los alcoholes puros, como combustibles tienen muy poco uso. Su mayor empleo está en la fabricación de mezclas con benzol, bencina o naftas con objeto de mejorar la calidad de las mismas.

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COMBUSTIBLES GASEOSOS El estado gaseoso de los combustibles es que mayor facilidad brinda para que se produzca una eficiente combustión, la cual recibe el nombre de explosión. La facilidad de acceso del aire a las diversas partículas del combustible, hace que la propagación se efectué en forma rápida. Si la presión o la temperatura, alcanza un valor por arriba de un límite determinado, la propagación adquiere valores muy grandes y deja de ser una explosión para ser una detonación, en la cual la velocidad de la reacción química que se produce sea mucho mayor. La velocidad de propagación en una onda detonante, para una combustión de hidrógeno y oxígeno puro alcanza un valor 2000 m/s El punto de inflamación de una mezcla está dado por la temperatura:    

Para el acetileno 425 ºC Para el metano 700 ºC Para el hidrógeno 585 ºC Para el óxido de carbono 650 ºC

Los combustibles gaseosos son los que mejores condiciones tienen para entrar en combustión. Gas natural: Es el gas que se obtiene directamente de los yacimientos petrolíferos. Este gas es el encargado de empujar al petróleo a la superficie. Su uso es muy utilizado en los alrededores de los yacimientos. Su poder calorífico es de 9500 cal / m3. Gas de alumbrado: Se lo denomina también gas de hulla. Se lo obtiene de la combustión incompleta de la hulla. Por cada 100 Kg. de carbón que se carbonizan, se obtienen unos 30 o 35 metros cúbicos de gas de alumbrado. Es un excelente combustible, usado principalmente para usos domésticos y para pequeños hornos industriales. Su precio es elevado. Su poder calorífico es de entre 4380 y 5120 cal / m3. Acetileno: Se obtiene del tratamiento del carburo de calcio del agua. Es un excelente combustible. Su poder calorífico es superior a 18000 cal / m3. Gas de agua: Se obtiene haciendo pasar vapor de agua a través de una masa de carbón de coque incandescente. Su poder calorífico es de 2420 cal / m3. Gas de aire: Se lo obtiene haciendo pasar aire por un manto de hulla o lignito incandescente de gran espesor. Su poder calorífico es de 1080 cal / m3.

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Gas pobre o mixto: se lo obtiene haciendo pasar una corriente de aire húmedo, es decir, una mezcla de aire y vapor de agua a través de una masa de gran espesor de hulla o lignito incandescente. La mezcla de vapor de agua y aire, quema parcialmente, produciendo cantidades variables de óxido de carbono e hidrógeno, estas sustancias van a constituir los elementos activos del gas mixto. Tiene un poder calorífico de entre 1200 y 1500 cal / m3. Gas de altos hornos: Se obtiene de los hornos de fundición. Al cargar un alto horno con mineral para obtener lingotes de hierro, se desprende una serie de gases que salen parcialmente quemados y pueden ser posteriormente utilizados en la misma planta industrial como combustible. Se los utiliza principalmente para la calefacción o para la producción de fuerza motriz. Su poder calorífico es de 900 cal / m3.

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CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES PARA LA AVIACIÓN En esta clasificación de combustibles se agrupan en:  

- Gasolinas de aviación para motores de combustión interna de cuatro tiempos. (AVGAS) - Combustibles de turbinas de aviación para utilización en turbohélices y reactores (JETFUELS)

Las propiedades más importantes de las gasolinas de aviación para motores de combustión interna son las relativas al índice antidetonante y la volatilidad. La volatilidad del combustible tiene influencia en la mezcla y en el arranque en frio del motor. En los motores JET-FUELS no es importante el factor antidetonante, Grados e identificación de los combustibles de aviación. Los combustibles para la aviación se clasifican en grados, de acuerdo con su nivel mínimo antidetonante. Cuando la indicación viene en dos números (Ej.: 100/130) El primero de ellos indica el poder antidetonante con mezcla pobre Segundo al poder antidetonante con mezcla rica. Si el primer número indica por debajo de 100, entonces se refiere a Octanos y no a potencia mecánica, - Grado 80: Gradación 80/87 Octanos, con un contenido de plomo tetraetilo (TEL) de 1,14 gr/l. Color Rojo -Grado 100: Gradación 100/ 130, con un contenido de plomo tetraetilo de 0.85 gr/l. Color Verde.

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- Grado 100 LL: Gradación 100/ 130. Con un contenido de plomo tetraetilo de 0.56 gr/l. Color Azul. Nota: LL = Low Lead. Bajo contenido en TEL. Es el más utilizado en el mundo actualmente.

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REQUISITOS DE CALIDAD DE LOS COMBUSTIBLES PARA LA AVIACIÓN.

Los requisitos más importantes de la calidad de los combustibles para la aviación es su capacidad antidetonante en un amplio espectro de operación. Contaminación en los combustibles para la aviación. Entre las causas que pueden provocar la contaminación de los combustibles para la aviación, hay que señalar al agua y a la suciedad, aunque es la primera la más común. Para comprobar si el combustible de aviación está contaminado es recomendable realizar una inspección de contaminación, drenando el depósito de combustible y buscando indicios de existencia de agua en el mismo. Evitar la contaminación. Para tratar de evitar la contaminación, en los combustibles para la aviación es recomendable  - Cambiar regularmente los filtros de combustible. (cada 100 horas)  - Drenar los depósitos de combustible durante el prevuelo. (primer ciclo del día).  - Llenar los depósitos después de cada vuelo o después del último vuelo del día, para evitar que se condense la humedad en el depósito de combustible. Tipos de depósito de combustible de aviación.  Deposito Rígido. Son los más antiguos. Están formados por planchas metálicas unidas entre sí con tabiques internos para evitar desplazamientos incontrolados del combustible.  Deposito elástico o flexible. Están fabricados en materiales que permiten su adaptación a distintos lugares del avión, desde donde son comunicados con el sistema de combustible del avión.  Depósito Integral. Se encuentran integrados en la estructura del avión. Los utilizan los aviones comerciales. Sistema de Purga (“Primer”) Este sistema permite incrementar la cantidad de combustible de aviación que entra en el cilindro para facilitar la puesta en marcha del motor. Puede ser manual o eléctrico. Este sistema suelen llevarlo los aviones en los que el suministro de gasolina es por gravedad Bombas mecánicas y eléctricas de combustible. Se suelen utilizar para asegurar un flujo continuo de combustible en el motor en determinadas situaciones tales como, despegues. Aterrizajes. etc. La bomba mecánica de combustible pertenece al conjunto del motor del avión y se encuentra situada en la parte posterior. Cuando la cantidad de combustible enviada por la bomba es superior a las necesidades del motor, el combustible sobrante pasa de nuevo a la entrada de la bomba por un circuito auxiliar. Con las bombas eléctricas, hay que comprobar el manual de operación del avión. Suelen ser auxiliares de las mecánicas. Suministro de gasolina del avión por gravedad. El suministro de combustible del avión por gravedad es un sistema utilizado principalmente en aviación ligera, generalmente en aviones de ala alta. Este sistema utiliza el efecto de la gravedad para que el combustible de aviación fluya, con la presión necesaria, desde el depósito de combustible al carburador. Este sistema suele incorporar una bomba de cebado. Selección de depósitos. (Gestión del combustible de aviación) La selección del depósito de donde se obtendrá el combustible de aviación, se realice por medio de una válvula selectora situada en la cabina de mando del avión.

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Esta válvula tiene cuatro posiciones: 

- OFF: El combustible está cortado. También se utiliza esta posición para situaciones de fuego en el motor, ya que actúa de corta-fuegos.  - LEFT: El combustible de aviación viene del depósito izquierdo,  - RIGHT: El combustible de aviación es suministrado desde el depósito derecho  - BOTH: Esta posición hace que el combustible de aviación fluya de los dos depósitos al mismo tiempo. Es la posición “por defecto”. La selección debe efectuarse durante el rodaje y prueba del motor, pero nunca inmediatamente antes del despegue. Hay que llegar al destino final con un Remanente de 45 minutos. Por Legislación.

TAPÓN DE VAPOR Se llama tapón de vapor (steam lock) a la tendencia que tiene una gasolina de aviación para evaporarse en exceso en las tuberías del sistema de combustible. La formación de burbujas de gas en la gasolina dificulta o hace imposible el funcionamiento normal del motor. Las burbujas ocupan en el sistema de carburación mayor volumen que en estado líquido, disminuyendo la cantidad de combustible que pasa al cilindro. La tendencia de un combustible a formar tapones de vapor se relaciona mediante el vapor Reid (PVR). En aviación no solo se controla el valor máximo de vapor Reid, sino, también el mínimo. El valor mínimo (0.38 kg/cm2 = 5.5 psi) se controla para facilitar la puesta en marcha del motor y un periodo de calentamiento corto. Pero más importante aún es el hecho de asegurar que la presión de vapor mínima es superior a la que pueda existir en vuelo en los depósitos y las tuberías del avión. En el momento en que la presión en los depósitos es inferior a la presión de vapor Reid la gasolina empieza a evaporarse, con el riesgo de obstaculizar las canalizaciones del sistema de combustible. Una situación de este tipo se produce al aumentar la altura de vuelo, por el descenso de la presión atmosférica. Si el techo de servicio del avión es alto, es necesario presurizar los depósitos de combustible. El valor máximo de la presión de vapor Reid para gasolina de aviación es 0.5 kg/cm2 (7 psi), para controlar el exceso de volatilidad en las tuberías de combustible. Conviene tener en cuenta lo siguiente: I.

II.

Aunque la gasolina para aviación se suministra con presión vapor mínima en torno a 0.4 kg/cm2, es cierto que la presión de vapor real puede ser menor cuando se transfiere a los depósitos del avión. Basta para ello que las cisternas o los bidones que contienen la gasolina hayan estado expuestos al sol, en verano, o que el avión haya permanecido estacionado durante bastante tiempo, con los depósitos vacíos o semivacíos. La presión de vapor de la gasolina disminuye cuando el avión con los depósitos llenos, se expone al sol (intenso) por algún tiempo. Un ascenso muy rápido puede vaporizar una gran cantidad de combustible en los depósitos.

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GRADOS DE LAS GASOLINAS UTILIZADAS EN AVIACIÓN La tabla adjunta muestra los grados disponibles en gasolinas para aviación. Se incluye el nuevo proyecto de gasolina sin plomo, conocida provisionalmente como Avgas 92. En la actualidad se encuentra en el mercado europeo la gasolina Avgas 100LL, de bajo contenido en plomo. Los otros grados se producen en EEUU. El proyecto de gasolina sin plomo es el anticipo de nuevas regulaciones contra la emisión de productos contaminantes en la atmósfera, que incluirán también los motores alternativos de aviación. La gasolina Avgas 100 LL tiene un octanaje de 95,5 en mezcla pobre, y un NP de 130 en mezcla rica. Destaca su bajo contenido en plomo.

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ADITIVOS La gasolina se mezcla con compuestos antioxidantes, anticorrosivos y otros con el fin de aumentar su estabilidad durante el periodo de almacenaje, proteger las superficies metálicas del motor de la acción corrosiva de la propia gasolina, y proporcionar cualidades adicionales. Los aditivos más usuales son: I. II. III.

IV. V. VI.

Aditivos antidetonantes. Antioxidantes, que previenen la oxidación y formación de depósitos de goma en los componentes del sistema de combustible. Disipadores de estática. Son compuestos que disminuyen la carga eléctrica estática que adquiere la gasolina cuando pasa, a gran velocidad, por el bequerel de las cisternas de suministro. Estos aditivos no excluyen la necesidad de poner a masa el avión cuando se efectúa el repostado. Anticorrosivos, que protegen contra la corrosión de las superficies metálicas del sistema de combustible. Antihielo, compuestos que disminuyen el punto de congelación del agua precipitada en los depósitos de combustible. Inhibidores catalíticos, que disminuyen los efectos catalíticos del cobre y otros metales sobre la oxidación prematura de la gasolina

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COMBUSTION EN LOS MOTORES ROTATIVOS. La combustión en el ciclo normal, abierto, de turbina de gas es un proceso continuo en el que el combustible se quema en el aire suministrado por el compresor; una chispa eléctrica se requiere sólo para iniciar el proceso de combustión, y, posteriormente, la llama debe ser auto-sostenible. El diseñador tiene una considerable libertad en la elección de una configuración de cámara de combustión y los requerimientos diferentes de aviones y unidades de base en tierra con respecto al peso, volumen y área frontal puede resultar en solución ampliamente diferente. En años recientes, el efecto de las restricciones estrictas sobre las emisiones de óxidos de nitrógeno (NO) ha tenido un impacto importante en el diseño de la cámara de combustión, tanto para aplicaciones industriales y aeronaves. Los primeros motores de aeronaves usaban un bote (o tubular) como cámaras de combustión, como se muestra en la figura, en la que el aire que sale del compresor se divide en un número de corrientes separadas, cada uno es suministrado a una cámara separada. Una ventaja principal de la cámara de combustión tipo bote es que el desarrollo podría llevarse a cabo en un único bote, usar sólo una fracción del flujo de aire total y el flujo de combustible. Los botes de combustión separados son todavía ampliamente utilizados en motores industriales, pero los diseños actuales usan un sistema canular (o tubo-canular), donde los tubos individuales de llama están espaciados uniformemente alrededor de una carcasa anular.

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El proceso de combustión. La combustión de un combustible líquido implica la mezcla de una pulverización fina de gotas con aire, la vaporización de las gotas, la descomposición de los hidrocarburos pesados en fracciones más ligeras, la mezcla íntima de moléculas de estos hidrocarburos con moléculas de oxígeno, y por último, las reacciones químicas. A alta temperatura, tal como es proporcionada por la combustión de una mezcla aproximadamente estequiométrica, es necesario que todos estos procesos se produzcan con la suficiente rapidez para la combustión en una corriente de aire en movimiento que se completará en un espacio pequeño. La combustión de un combustible gaseoso implica menos procesos, pero gran parte de lo que sigue es aún aplicable. Dado que el total de aire-combustible se encuentra en la región de 100:1, mientras que la relación estequiométrica es de aproximadamente 15:1, la primera esencial es que el aire debe ser introducido en etapas. Tres de estas etapas se pueden distinguir. Acerca de 15-20 por ciento del aire es introducido alrededor del chorro de combustible en la zona primaria para proporcionar la alta temperatura necesaria para la combustión rápida. 30 por ciento del aire total se introduce entonces a través de agujeros en el tubo de la llama en la zona secundaria para completar la combustión. Para alta eficiencia de combustión, este aire debe ser inyectado con cuidado en los puntos adecuados en el proceso, para evitar el enfriamiento de la llama localmente y reducir drásticamente la velocidad de reacción en esa zona. Finalmente, en la zona terciaria o de dilución, el aire restante se mezcla con los productos de la combustión para que se enfríen a la temperatura requerida en la entrada a la turbina. Suficiente turbulencia debe ser promovida para que las corrientes caliente y fría se mezclen a fondo para dar la distribución de temperatura de salida deseada, sin corrientes calientes, pues puedan dañar los álabes de turbina. El método zonal de introducir el aire no puede por sí mismo dar una llama auto-pilotaje en una corriente de aire que se desplaza en un orden de magnitud más rápido que la velocidad de la llama en una mezcla de combustión. La segunda característica esencial es por lo tanto un patrón de flujo de recirculación que dirige algo de la mezcla de quemado en la parte posterior en la zona primaria para el combustible entrante y aire. Una forma de lograr esto se muestra en la figura, cual es típico de la práctica británica. El combustible se inyecta en la misma dirección que la corriente de aire, y el aire primario se introduce a través paletas radiales, conocidos como deflectores de turbulencia, de modo que el movimiento de vórtice resultante induce una región de baja presión a lo largo del eje de la cámara. Este movimiento de vórtice a veces mejorado mediante la inyección de aire secundario a través de rampas cortas tangenciales en el tubo de llama, en lugar de a través de orificios lisos como en la figura. El resultado neto es que los gases de combustión tienden a fluir hacia la zona de baja presión, y una parte de ellos se dirige hacia el chorro de combustible, como se indica por las flechas.

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Muchas otras soluciones para el problema de obtener una llama estable son posibles. Una práctica americana es dispensar con los deflectores de turbulencia y conseguir la recirculación por una cuidadosa colocación de agujeros en el flujo superior del tubo de la llama de un deflector hemisférico como en la figura 6,3 (a) y la figura 6.3 (b), que muestran una posible solución utilizando flujos superiores de inyección lo que da buena mezcla del combustible y el aire primario. Es difícil evitar el sobrecalentamiento del inyector de combustible, sin embargo, y la inyección de flujos superiores se emplea más para postquemadores (o "recalentadores") en el tubo de chorro de motores de avión que en los sistemas de combustión principal. Finalmente, la figura 6,3 (c) ilustra un sistema de vaporizador en el que se inyecta el combustible a baja presión en tubos con forma de bastón colocados en la zona primaria. Una mezcla rica de vapor de combustible y las corrientes de aire de los tubos de vaporizador en la dirección ascendente para mezclar con el aire primario restante pasa a través de agujeros en un deflector alrededor de las tuberías de suministro de combustible. El sistema de combustible es mucho más simple, y la dificultad de disponer de una adecuada distribución de gotas finas en el rango de operación del flujo de combustible es superado. El problema en este caso es evitar un local "agrietamiento" del combustible en los tubos del vaporizador con la formación de depósitos de baja conductividad térmica que conduce al sobrecalentamiento y al agotamiento. Los sistemas de vaporizador son particularmente adecuados para cámaras de combustión anulares donde es inherentemente más difícil de obtener una satisfactoria distribución de combustible-aire con chorros de gotas de inyectores de alta presión, y se han utilizado en varios motores de aeronaves exitosas. Los bastones originales en forma de tubos han sido sustituidos en los motores modernos por más compacto y resistentes mecánicamente en forma de T, el vaporizador es

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mostrados en la figura 6.4. Sotheran (1), la historia del desarrollo del vaporizador es de RollsRoyce. Habiendo descrito la forma en que se lleva a cabo el proceso de combustión, ahora es posible ver cómo la combustión incompleta y las pérdidas de presión surgen. Cuando no se debe simplemente al inyector de combustible con un diseño que conduce a una inyección pobre de gotas de combustible se llevan a lo largo de la pared del tubo de la llama, la combustión incompleta puede ser causada por enfriamiento local de la llama en los puntos de entrada de aire secundario. Esto puede reducir fácilmente la velocidad de reacción hasta el punto que algunos de los productos en los que el combustible se ha descompuesto se dejan en su estado parcialmente quemado, y la temperatura en el extremo de corriente descendentes de la cámara es normalmente inferior a la que la combustión de estos productos se puede esperar que tenga lugar. Dado que los hidrocarburos más ligeros en la que el combustible se ha descompuesto tiene una temperatura de ignición más alto que el combustible original, que es claramente difícil de evitar el enfriamiento, sobre todo si el espacio es limitado y el aire secundario no puede ser introducido gradualmente suficiente. Si los dispositivos se utilizan para aumentar en gran escala de turbulencia y así distribuir el aire secundario de manera más uniforme a lo largo de los gases de combustión, la eficiencia de la combustión se mejora pero a expensas de la pérdida de presión creciente. Un compromiso satisfactorio de alguna manera debe ser alcanzado.

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PROCESOS DE COMBUSTIÓN Y ANÁLISIS DE LOS PRODUCTOS DE LA COMBUSTIÓN La combustión es un conjunto de reacciones de oxidación con desprendimiento de calor, que se producen entre dos elementos: el COMBUSTIBLE, que puede ser un sólido (Carbón, Madera, etc.), un líquido (Gasóleo, Fuel-Oíl, etc.) o un gas (Natural, Propano, etc.) y el COMBURENTE, Oxígeno. La combustión se distingue de otros procesos de oxidación lenta, por ser un proceso de oxidación rápida y con presencia de llama; a su vez también se diferencia de otros procesos de oxidación muy rápida (detonaciones, deflagraciones y explosiones) por obtenerse el mantenimiento de una llama estable. Para que la combustión tenga lugar han de coexistir tres factores: a) COMBUSTIBLE. b) COMBURENTE. c) ENERGÍA DE ACTIVACIÓN. Estos tres factores se representan en el denominado triángulo de combustión, en el cual si falta alguno de los vértices la combustión no puede llevarse a cabo.

Figura 1: Triángulo de la Combustión El comburente universal es el oxígeno, por lo que en la práctica se utiliza el aire como comburente, ya que está compuesto, prácticamente, por 21% Oxígeno (O2) y 79% Nitrógeno (N2); únicamente en casos especiales se utilizan atmósferas enriquecidas en oxígeno e incluso oxígeno puro (por ejemplo en soldadura). La energía de activación es el elemento desencadenante de la reacción de combustión; en los quemadores habitualmente suele obtenerse mediante una chispa eléctrica entre dos electrodos, en las calderas individuales de gas se obtiene por llama piloto, tren de chispas, etc. La mayoría de los combustibles, al margen de que sean sólidos, líquidos o gaseosos, están compuestos, básicamente, por Carbono (C) e Hidrógeno (H); además de estos componentes principales tienen otros como Azufre (S), Humedad (H2O), Cenizas, etc.

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En primer lugar se analiza la combustión desde el punto de vista de sus componentes fundamentales (C, H); posteriormente se comentará la influencia de los restantes elementos. Las reacciones de combustión son: C + O2 C O2 + Calor (28,09 kWh/kgCO2) 2 H2 + O2 2 H2O + Calor (39,47 kWh/kgH2) ESTEQUIMETRIA DE LAS COMBUSTIONES Las consideraciones siguientes se refieren al uso de aire como comburente, ya que es el utilizado en la práctica totalidad de las instalaciones de calderas. La estequiometria de la combustión se ocupa de las relaciones másicas y volumétricas entre reactivos y productos. Los aspectos a determinar son principalmente: 1. Aire necesario para la combustión 2. Productos de la combustión y su composición Para predecir estas cantidades es preciso referirse a un proceso ideal que dependa de unos pocos parámetros, básicamente la naturaleza del combustible. Para definir este proceso ideal se consideran los tipos de combustión que pueden darse: COMBUSTIÓN COMPLETA Conduce a la oxidación total de todos los elementos que constituyen el combustible. En el caso de hidrocarburos: Carbono CO2 Hidrogeno H2O Azufre SO2 Nitrógeno N2 Oxigeno Participará como oxidante El Nitrógeno se considera como masa inerte, si bien a las altas temperaturas de los humos pueden formarse óxidos de nitrógeno en pequeñas proporciones (del orden de 0,01%). COMBUSTIÓN INCOMPLETA Los componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados inquemados, los más importantes son CO y H2; otros posibles inquemados son carbono, restos de combustible, etc. La cantidad de aire utilizada es superior a la correspondiente a la combustión estequiometria, pero a pesar de ello, debido fundamentalmente a que no se ha logrado una buena mezcla entre el combustible y el aire, los componentes del combustible no se oxidan totalmente. Respecto a la combustión incompleta con defecto de aire, en los productos de la combustión también se tiene oxígeno; en casos extremos en los humos puede haber carbono y combustible sin quemar.

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El calor producido es inferior al de la combustión completa (Q2 Q). La combustión estequiometria prácticamente es irrealizable, lo que obliga a operar con excesos de aire con el fin de lograr combustiones completas. El calor producido en la combustión completa es independiente del exceso de aire, pero el aprovechamiento de este calor es tanto menor cuanto mayor es el exceso de aire con el que se trabaja, ya que una parte del calor de la combustión se utiliza en calentar a los humos y éstos aumentan con el exceso de aire; por todo ello, en la práctica se buscan combustiones completas con los menores excesos de aire posibles; esto se consigue con una adecuada puesta a punto de los elementos que intervienen en la combustión (líneas de combustible, quemadores, calderas y chimeneas) y un correcto mantenimiento. Para obtener una correcta combustión debe lograrse una buena mezcla del combustible con el aire; en este sentido los combustibles gaseosos presentan mayor facilidad de mezcla que los líquidos y éstos a su vez más que los sólidos; por este motivo pueden obtenerse menores excesos de aire con los combustibles gaseosos. COMBUSTIÓN ESTEQUIOMETRICA Es la Combustión Completa realizada con la cantidad estricta de oxígeno; es decir, el aire empleado en la combustión es el mínimo necesario para contener la cantidad de oxígeno correspondiente a la oxidación completa de todos los componentes del combustible. La combustión estequiometria permite definir los parámetros característicos de los combustibles: PODER COMBURIVORO Es la cantidad de aire seco, medida en condiciones normales (Tª =0°C y P=1atm), mínima necesaria para la combustión completa y estequiometria de la unidad de combustible. Unidades habituales: Nm3/kg Combustible, Nm3/Nm3Combustible. Es un parámetro característico únicamente de la composición del combustible y puede tabularse con facilidad. PODER FUMIGENO Es la cantidad de productos de la combustión (Nm3) que se producen en la combustión estequiometria de la unidad de combustible. En función de considerar o no el vapor de agua existente en los productos de la combustión, se tienen Poderes Fumígenos Húmedo y Seco, respectivamente. COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE La mayor parte de las combustiones no transcurren en estas condiciones ideales (completa y estequiométrica), el principal aspecto a considerar será la posibilidad de que la combustión transcurra con exceso o defecto de aire, para caracterizar la proporción de oxigeno se define el parámetro “coeficiente de exceso de aire”:

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n = volumen aire por unidad de combustible / Poder Comburívoro n = 1: Combustión Estequiométrica n < 1: Defecto de aire, se dice que la mezcla es rica n > 1: Exceso de aire, se dice que la mezcla es pobre Así la combustión puede ser clasificada en:



COMBUSTIÓN CON DEFECTO DE AIRE (CON MEZCLA POBRE)

La cantidad de aire utilizada no contiene el oxígeno necesario para oxidar completamente a los componentes del combustible. CxHy + n2 (O2 + N2) CO2 + CO + H2 + H2O + 0,79 n2 N2 + Calor (Q1) Además de los productos normales de la combustión, Dióxido de carbono (CO2) y Agua (H2O), se producen inquemados como el Monóxido de Carbono (CO) e Hidrógeno (H2); en algunos casos con mucho defecto de aire puede haber incluso carbono y combustible sin quemar, en los humos. El calor producido es inferior al de la combustión completa (Q1 Q).

 COMBUSTIÓN CON EXCESO DE AIRE (CON MEZCLA RICA) En este caso la cantidad de aire aportada es superior a la correspondiente a la combustión estequiométrica; la combustión en estas condiciones puede ser completa o incompleta.

ENTALPÍA DE COMBUSTIÓN: Es la energía presente durante una reacción exotérica entre sustancias combustibles y el oxígeno en presencia de una fuente de calor. Es el calor liberado, a presión constante, cuando se quema un mol de sustancia. Ejemplo: CH4 (g) + 2O2 (g) => 2CO2 (g) + 2H2O (l) ΔH = -212.8 Kcal Lo que significa que cuando se queman 16 g de metano se desprenden 212.8 Kcal. Estas entalpías se determinan normalmente a 25°C y 1 atm. Para determinar la entalpía estándar de formación de las sustancias, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones:  

La entalpía estándar de formación de los elementos puros, libres y tal como se encuentran en su estado natural es cero. El carbono se presenta a 25°C 1 atm de presión y en el estado sólido, de varias formas: diamante, grafito, antracita, hulla, coke, etc., pero su estado estándar se define para el grafito, o sea ΔHf25° del grafito es igual a cero.

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El azufre se presenta en dos estados alotrópicos, el rómbico y el mono cíclico; su entalpía estándar se define para el rómbico o sea ΔHf25° del rómbico es igual a cero.

ENTALPÍA ESTÁNDAR de una ecuación general:

Se calcula restando las entalpías estándares de formación de los reactivos de las entalpías estándares de formación de los productos, como se ilustra en la siguiente ecuación:

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IMPACTO AMBIENTAL Durante mucho tiempo se consideró a la atmósfera como un recurso infinito e imposible de alterar en su composición. Sin embargo, con el desarrollo industrial y urbano le han arrojado cantidades considerables de otros gases y partículas sólidas provocando un desequilibrio en la concentración de sus componentes, situación que ha preocupado al hombre por las consecuencias que pueden derivarse. La contaminación de la atmosfera se debe a 2 tipos de causas: 1.- Natural: La ocasiona la naturaleza, como por ejemplo las erupciones volcánicas o los vientos que arrastran polvo y otro tipo de partículas. 2.- Antropogénica: Es la originada por el hombre, por ejemplo, la combustión de las industrias, en los sistemas de transporte, en la incineración incontrolada de la basura y por la calefacción doméstica y de oficina. PRINCIPALES CONTAMINANTES Óxidos de Carbono: Durante el consumo de los combustibles fósiles (petróleo y sus derivados), se desprenden 2 gases compuestos de Carbono y Oxígeno: Bióxido de Carbono (CO2) y el Monóxido de Carbono (CO). CO2: Es un componente natural del aire, en pequeñísimas cantidades, es un producto normal de procesos como la respiración, la descomposición y la combustión completa de todos los compuestos orgánicos. Combustión completa: CO: Es un gas venenoso producido por una mala combustión de materia orgánica, en ella el Carbono no se oxida completamente. El CO se forma principalmente por una combustión incompleta de los vehículos de combustión interna, por lo que su abundancia se presenta en zonas urbanas, esta contaminación afecta al sistema nervioso central, provoca dolores de cabeza, fatiga, somnolencia y problemas cardiacos. · Bióxido de Azufre (SO2): Es el contaminante gaseoso más nocivo para el hombre; en concentraciones mayores daña los pulmones; es un potente irritador de los ojos y de la piel; incluso destruye el esmalte de los dientes. Óxidos de Nitrógeno: El Monóxido de Nitrógeno (NO), y el Bióxido de Nitrógeno (NO2). Ambos se forman cuando la combustión tiene lugar a altas temperaturas; ejemplo, el motor de un automóvil, estufas, hornos y quemadores. Estos son el producto de la oxidación del N atmosférico o bien de la oxidación del N orgánico del combustible. Hidrocarburos (HC): Presentes en la atmósfera, con excepción del Metano, se deben a varias causas: 1.- HC no quemados durante la combustión. 2.- Compuestos orgánicos volátiles que se escapan a la atmósfera durante la refinación del petróleo, manufactura química, aplicación de solventes. 3.- HC volátiles que se forman durante la combustión.

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BIOCOMBUSTIBLES La industria de la aviación se ha marcado como objetivo para 2050 reducir a la mitad las emisiones de CO2 del transporte aéreo, que hoy suponen un 2% del total de emisiones globales. Para alcanzarlo, los biocombustibles van a jugar un papel clave. Ya se están desarrollando biocarburantes extraídos de cultivos no alimentarios, como la camelina. En un futuro próximo, la producción a gran escala vendrá de las micro algas. El sector de la aviación transporta al año 2.200 millones de pasajeros en todo el planeta y es un elemento esencial en una sociedad globalizada. Según las estimaciones de la Asociación Internacional de Transporte Aéreo (IATA), en 2050 los pasajeros serán ya 16.000 millones. El crecimiento constante del tráfico plantea a la industria de la aviación comercial el reto simultáneo de atender esta demanda y reducir las emisiones que genera. Primer vuelo con bioqueroseno. En España, Repsol e Iberia han tomado la iniciativa y en octubre impulsaron el primer vuelo en nuestro país con bioqueroseno. Un Airbus 320, de los que Iberia utiliza habitualmente, realizó el trayecto entre Madrid y Barcelona empleando como carburante una mezcla de 25% de biocombustible y 75% de queroseno tradicional. El bioqueroseno empleado en este vuelo fue obtenido del aceite de la camelina, una planta oleaginosa no comestible, y Repsol se hizo cargo de la obtención, análisis de alto rendimiento, distribución y logística del combustible. Para realizar el vuelo con este biocarburante no hubo que realizar ninguna adaptación en los motores del avión y se estima que supuso una reducción en las emisiones de 1.500 Kg. de CO2. Biocarburantes sostenibles para la aviación La camelina es un cultivo herbáceo oleaginoso que produce una cantidad importante de aceite y que “además, tiene la particularidad de que se puede cultivar en climas templados y fríos, como el de España”, afirma Fernando Temprano, director de Tecnología de Repsol. Su adaptación a suelos de bajo rendimiento y su resistencia a heladas y sequías, “nos va permitir ampliar las materias primas que podemos utilizar para producir bioenergía”. Los biocombustibles de 2ª generación, como el producido a partir de la camelina, son aquellos considerados sostenibles porque se extraen de plantas que no compiten con los cultivos alimentarios, ni por los terrenos, ni por recursos como el agua. Otra de las plantas que están en desarrollo para fabricar biocombustibles de 2ª generación es la jatrofa. Algunas compañías aéreas ya han realizado vuelos de prueba utilizando este bioqueroseno y Repsol ya cuenta con proyectos para desarrollar a gran escala este cultivo. “El 35

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plazo que contemplamos para producir cantidades importantes de ese aceite es de 3 ó 4 años, porque es una planta que, lógicamente, tarda en crecer”, explica Temprano. El aceite extraído de estas plantas se procesa según un procedimiento de refino conocido como hidrotratamiento, que consiste en someter esos aceites vegetales a una reacción química con hidrógeno, catalizador y alta temperatura, y que da lugar a unos hidrocarburos que tienen una composición química idéntica al queroseno de origen fósil. Gracias a ello pueden alimentar los motores sin necesidad de introducir modificaciones y su origen vegetal permite reducir el balance global de emisiones de CO2.

Micro algas: la nueva generación de biocombustibles La demanda creciente de biocombustibles no va a ser cubierta solo por aquellos extraídos de cultivos terrestres, como la jatrofa o la camelina. Los expertos anticipan que la gran reserva para los bioquerosenos de aviación vendrá de las algas. “Estamos apostando también por los biocombustibles de 3ª generación como las micro algas, que son los sistemas vivos de origen vegetal que crecen más rápido, producen más aceite y que aprovechan más el sol”, afirma Fernando Temprano. Repsol tiene un ambicioso programa de producción de biocombustibles utilizando micro algas. A partir de una labor de investigación desarrollada en el Centro de Tecnología Repsol, se va a iniciar próximamente su producción a escala Semi-industrial.

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COMBUSTIBLES ALTERNATIVOS Los combustibles alternativos tienen, generalmente, menos emisiones que contribuyan al smog, la contaminación del aire y el calentamiento global. La mayoría de estos no provienen de fuentes fósiles finitas y son sostenibles, por lo que pueden ayudar a las naciones a convertirse en energéticamente independientes. Los combustibles alternativos se derivan de recursos distintos del petróleo y a menudo, producen menos contaminación que la gasolina o el diésel. Hoy en día su uso empieza a hacerse un poco más frecuente, y el mundo de la aviación no ha sido la excepción. Dentro de este tipo de combustibles podemos encontrar los siguientes: Etanol. Una alternativa basada en alcohol al fermentar y destilar cosechas, como las de maíz, cebada o trigo. Puede ser mezclado con gasolina para incrementar los niveles de octano y mejorar

la

calidad

de

las

emisiones. Positivo: Los materiales son renovables. Negativo: Los subsidios al etanol tienen un impacto negativo en los precios de los alimentos y su disponibilidad. Gas natural. El gas natural es un combustible que quema limpio y está disponible ampliamente en muchas partes

del

instalaciones

mundo

a

través

de

que suministran gas

natural a las casas y las empresas. Positivo: Camiones y coches con motores diseñados especialmente producen menos contaminación perjudicial que la gasolina o el diésel. Negativo: La producción de gas natural crea metano, un gas de invernadero que es 21 veces peor que el CO2 para el calentamiento global. Electricidad. La electricidad puede ser usada como un combustible alternativo para los vehículos eléctricos o de celdas de combustible. Los vehículos movidos con electricidad almacenan la energía en baterías que se recargan enchufando el vehículo en una fuente convencional de electricidad. Los vehículos de celdas de combustible se mueven con electricidad que es producida a través de una reacción electroquímica, que ocurre cuando el hidrógeno y el oxígeno se combinan.

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Aspecto positivo: Las celdas de combustible producen electricidad sin combustión ni contaminación. Negativo: Mucha electricidad se genera hoy de carbón o gas natural, dejando una gran huella de carbono. Hidrógeno. El hidrógeno puede ser mezclado con gas natural para crear un combustible alternativo para vehículos que usen ciertos tipos de motores interna.

de El

combustión hidrógeno

también se usa en vehículos de celdas de combustible que

se

mueven

con

electricidad producido por la reacción

electroquímica

cuando el hidrógeno y el oxígeno se combinan en la celda. Positivo: No emisiones dañinas. Negativo: Costoso. Biodiesel. Combustible alternativo basado en grasas vegetales o animales, aún aquellas recicladas de restaurantes que las han usado para cocinar. Los motores de vehículos pueden ser convertidos a quema de biodiesel en su forma más pura, y este también puede ser mezclado con diésel y usado en motores no modificados. Positivo: El biodiesel es seguro, biodegradable, reduce los contaminantes del aire asociado a las emisiones de vehículos, tales como micro partículas, monóxido de carbono e hidrocarburos. Negativo: limitadas infraestructuras de producción y distribución. Metanol. El metanol, también conocido como alcohol de madera, puede ser usado como combustible alternativo en vehículos flexibles en ese sentido, que están diseñados para usar M85, una mezcla de 85% de metanol y 15% de gasolina, pero los fabricantes no están produciendo más vehículos para ser movidos con metanol. Positivo: El metanol podría convertirse en un importante combustible alternativo en el futuro como fuente del hidrógeno que necesitan los vehículos de celdas de combustible. Negativo: Los fabricantes no están produciendo más vehículos que utilicen metanol.

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Combustibles P Serie. Los combustibles P Serie son una mezcla de etanol, líquidos del gas natural y metiltetrahidrofurano, un solvente derivado de biomasa. Los combustibles P Serie son combustibles alternativos claros y de alto octanaje que puede ser usado en vehículos flexibles. Los combustibles P Serie pueden ser usados solos o mezclados con gasolina en cualquier proporción al adicionarlo simplemente en el tanque, aunque los fabricantes no están produciendo vehículos para este tipo de combustible.

Entre 2008 y 2011, al menos diez aerolíneas y varios fabricantes de aviones realizaron vuelos de prueba con varias mezclas que contienen hasta un 50% de combustible biojet. Estas pruebas demostraron que el combustible biojet era técnicamente sólido, y se hicieron las siguientes observaciones:  No se requirieron modificaciones a la aeronave  El Combustible biojet podría ser mezclado con combustible convencional  El motor de encendido con este tipo de mezcla, mostró una mejora en la eficiencia del combustible en algunos casos Para el 2011, 21 aerolíneas han realizado más de 1.600 vuelos comerciales de pasajeros con mezclas de combustible biojet hasta un 50% de aceite de cocina usado, jatrofa, camelina y algas Aerolíneas involucrados: * KLM, Lufthansa *, Finnair, Interjet, Aeroméxico, Iberia, Thomson Airways *, Air France, United Airlines, Alaska Airlines *, Thai Airways, LAN, Qantas, Jetstar, Porter, Gol, Air Canada, bmi, Nextjet, SAS y Norwegian (* indica ya una serie de vuelos regulares biojet) Lufthansa completó con éxito una serie de seis meses de los vuelos comerciales para estudiar el efecto a largo plazo del combustible biojet en los motores, señalando sin efectos adversos. Además, KLM realizó 26 vuelos de larga distancia en 2013 demostrando que es posible organizar y coordinar una compleja cadena de suministro y volar vuelos regulares sobre el combustible biojet. En todo el mundo, grupos de múltiples partes interesadas (compañías aéreas, aeropuertos, fabricantes de aeronaves, gobiernos, productores y proveedores de biomasa y biocombustibles) están trabajando juntos en iniciativas para la introducción de combustibles biojet. Algunos ejemplos incluyen CAAFI (US), ABRABA (Brasil), Aireg (Alemania), Bioqueroseno (España), el Plan de Vuelo (México), AISAF (Australia) y otros proyectos se están llevando a cabo en China, Canadá, los Emiratos Árabes Unidos, Qatar, Escandinavia y más.

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CONCLUSION En conjunto, el combustible de aviación se refiere a los distintos tipos de propulsores que se usan para operar motores de un jet (turbina de gas, turborreactores o turbo ventilador). Se aplica principalmente en la aviación, aunque también es importante para botes de propulsión, generadores de propulsión y otras aplicaciones de propulsión, así como motores diesel cuando sean necesarios. Ahora, la mayoría de los combustibles de aviación funcionan a base de queroseno y los tipos varían dependiendo de la composición química y de los tipos de aditivos que se usen en éste. JET A-1 Es el combustible utilizado en las turbinas de los motores a reacción en aviación civil. Es un queroseno que procede de la destilación del crudo de petróleo, que es la materia prima de la industria de refino. Su función principal es suministrar potencia al avión, siendo parámetros clave su contenido energético y la calidad de combustión. Las principales características de este combustible son: • Combustible para motores a turbina • Incoloro o ligeramente amarillo • Densidad media 0,8 kg/l aprox. • Inflamable a temperaturas superiores a 38 ºC en presencia de llama o chispa. • Gran potencia calorífica que permite obtener la máxima energía posible con el mínimo peso. • Pequeña volatilidad para evitar las pérdidas por evaporación y los peligros de incendio en caso de accidente. • Temperaturas muy bajas del punto de cristalización, ya que a las alturas a las que se desplazan los aviones, las temperaturas son muy bajas. • Gran estabilidad del producto, con el objetivo de que no se vea afectado por procesos de oxidación, así como un alto grado de estabilidad térmica. • Además de proveer la energía, el combustible es también usado como fluido hidráulico en los sistemas de control del motor y como refrigerante para ciertos componentes del sistema de combustible. JP-8 Es un queroseno aditivado con el fin de mejorar sus propiedades para uso militar. Este producto debe cumplir la especificación MIL-DTL-83133, según la cual durante su fabricación se aditivará con CI/LI (corrotion inhibitor/lubricity improver o inhibidor de corrosión/mejorador de lubricidad), FSII (fuel system icing inhibitor o antihielo) y SDA (static disipator aditive o aditivo mejorador de la conductividad). Además, de acuerdo con esta especificación, el JP-8 puede contener aditivo AO (antioxidant o antioxidante) o MDA (metal deactivator o desactivador de metales). Para poder añadir desactivador de metales en la formulación del JP-8 el productor, de acuerdo a la norma, debe contar con la autorización expresa y por escrito del comprador y el usuario del producto.

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Las principales características de este combustible son: • Combustible para aviación militar. • Incoloro o ligeramente amarillo. • Densidad dentro del rango 0,775 – 0,840 kg/l • Inflamable a temperaturas superiores a 38 °C en presencia de llama o chispa. • Punto de congelación -47ºC AVGAS 100 LL es una gasolina de aviación especialmente indicada para los motores de explosión. Las especificaciones del AVGAS 100 LL son restrictivas para asegurar los requerimientos de seguridad de las aeronaves, tanto en tierra como en aire (necesidad de acomodarse a distintas temperaturas y presiones). Las principales características del Avgas 100 LL: • Combustible para motores de pistón • Color azul • Densidad media 0,7 kg/l aprox. • Inflamable a temperatura ambiente en presencia de llama o chispa Además, AVGAS 100 LL es una mezcla compleja de hidrocarburos volátiles que contienen hidrocarburos parafínicos, nafténicos, olefínicos y aromáticos, con cadenas de carbono entre cuatro y 12 átomos de carbono (C4 y C12). JP-5 Es un combustible derivado del queroseno, con un punto de inflamabilidad de al menos 60º, un punto de congelación de -46º y de color amarillo. Su composición es una mezcla de distintos hidrocarburos, con alcanos, cicloalcanos e hidrocarburos aromáticos. Fue desarrollado en 1952 para los reactores embarcados en portaaviones, donde el riesgo de incendio era particularmente alto. El JP-5 se mantiene como el principal combustible para la aviación embarcada con motores de reacción.

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