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CAPITULO 4 COMBUSTION Tipos de combustibles, poder calorífico Pretratamientos Recorrido de llama y gases de combustión Hogares Quemadores: tipos Tirajes: Natural Forzado Inducido Barrido, pre y pos barrido de hogar Controles y elementos de seguridad en el sistema de combustión Forma y color de la llama Colores del humo a la salida de chimenea Análisis y composición de gases Rendimiento térmico FIMACO S.A. Capítulo 4 Página 1

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CAPITULO 4

COMBUSTION

� Tipos de combustibles, poder calorífico

� Pretratamientos

� Recorrido de llama y gases de combustión

� Hogares

� Quemadores: tipos

� Tirajes: Natural Forzado Inducido

� Barrido, pre y pos barrido de hogar

� Controles y elementos de seguridad en el sistema de combustión

� Forma y color de la llama

� Colores del humo a la salida de chimenea

� Análisis y composición de gases

� Rendimiento térmico

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Al igual que el capítulo anterior, el tema "combustión", es también muy extenso por lo que solo nos referiremos a los conceptos y puntos mas importantes.

Comenzaremos con la definición:

del aire de cuya rápida reacción se libera una gran cantidad de calor.

Composición básica de los elementos que intervienen en la combustión.

Carbono (+) Metano (+) Oxígeno 21% Azufre (-) Gases hidrocarburos (-) Nitrógeno 79% Hidrógeno (+) Propano licuado (GLP) Este último no aporta Otros menores (-) Mezclas de hidrocarburos ningún papel activo en

saturados y no saturados la combustión

CalorCombustible Productos chimenea

+

Más adelante trataremos los distintos resultados de esta combustión

Gas natural, GLP, derivados de procesos gaseosos, gas pobre de gasómetros, etc.

Fuel Oil, mezclas Gasoil, derivados de procesos, etc.

Residuos de aserraderos, madera, semillas,cáscaras, carozos de frutos, carbón, bagazode caña, etc. Cabe destacar la importancia de realizar el análisis económico para aquellas industrias y zonas que puedan usar combustiblesalternativos que producen como rezagosindustriales.

Aire

+

Gaseosos

Líquidos

Sólidos

Nitrógeno

"Combustión" es la oxidación que tiene lugar entre un combustible y el oxigeno

Combustibles líquidos Gas Natural Aire

CO2

H2O (vapor agua)SO2

N2

Carbono+

Hidrógeno +

Azufre

Oxígeno

COMBUSTION

Tipos de Combustible

Consideraciones generales

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Poder Calorífico:

Medición del calor desprendidototal, incluyendo el calor de vaporización del agua formada.

Medición del calor desprendidodespreciando el calor de la vaporización del agua formada.

Fuel Oil

Mezcla 70 / 30

Diesel Oil

Gas natural

Gas propano GLP

Residuos celulósicosbase seca

PRETRATAMIENTOS DE COMBUSTIBLES

Filtrado, y en los casos de combustibles muy viscosos,precalentamiento. Aditivos especiales para mejorar lacalidad de combustión.

9.700 kcal./Kg

9.760 kcal./Kg

10.000 kcal./Kg

8.650 kcal./Nm³

medido en un ambiente de oxígeno expresado en kcal. /kg. o kcal./Nm³Podemos definirlo como el calor desprendido de una muestra de combustible

Líquidos

P.C.S.Poder calorífico superior

P.C.I.Poder calorífico inferior

Filtrado y control de presión de entrada a quemador.

3.500/4.400 kcal./kg

22.000 kcal./Nm³

Gaseosos

P.C.I. - Combustibles

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1) Quemador2) Hogar (radiante)3) Cenicero4) Cámara retorno5) 2° paso convectivo6) Chimenea

1) Quemador2) Hogar (radiante)3) Cámara de retorno - fondo húmedo4) 2° paso convectivo5) Caja humos retorno delantera6) 3° paso convectivo7) Chimenea

Detalle: Cámara retorno - fondo semihúmedo

1) Quemador2) Hogar con retorno (radiante) 3) Caja humos delantera4) Paso tubular (convectivo)5) Chimenea

Caldera 3 pasos

Caldera hogar con retorno

RECORRIDO DE LLAMA Y GASES DE COMBUSTIÓN

Modelos más comunes

Caldera 2 pasos tipo marino escocesa

1

3

24

5

6

7

321

5

Detalle

4

66

1 2

3

5

4

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Son utilizados para la combustión de sólidos y únicamente en calderas muyantiguas y las verticales de 1 paso.

Acuotubulares y los llamados antehogarestubulares para la combustión de sólidos.

Cilíndricos de chapa; calderas humotubularesde 2, 3, 4 pasos y hogar con retorno.

Totalmente cilíndricos con o sin refuerzosexternos.

Totalmente corrugados.

Sectores lisos y corrugados según diseño.

Detalle de hogar corrugado Vista desde su interior Al fondo puede apreciarse: Mufla refractaria Anillo de gas con picos distribuidores

Cámara de retorno Abocinado de Corrugas

trasera fondo húmedo Hogar

Hogar totalmente corrugado, parte externa vista desde el lado del agua.

Combinados

Corrugadoscilíndricos de chapa de acero

Internos

Tipos de Hogares

Externos

Lisos

Tipos de hogares

HOGARES

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De Fuel Oil y/o mezclacon precalentamiento Pico atomizador

Pulverización Copa rotativamecánica

Aire

Vapor

Quemador de Copa rotativa Lanzas Mecánicas y Premezcla Vapor y Aire

Pulverización

Tobera con ventilador incluido, con mezcla previa y tren de válvulas.

Gas NaturalCompuesto por registro, ventilador, caja de aire, anillo y tren de válvulas.

Quemador Compacto

Gas ó Gasoil

Registro de aire para

Combustión de Gas

y Petróleo

mecánicaPicos

atomizadores

Sin fluídos auxiliares

Con mezcla de fluídosalternativos auxiliares

De Diesel Oilsin precalentamiento

Compactos

Anillo de gascon toberas

QUEMADORES

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Es necesario eliminar los gases del combustible quemado en una caldera que se convirtieron en gases neutros y además agregar aire nuevo para que la combustión no se extinga.

Los gases calientes tienden a subir y empujan la circulación desde el hogar a los tubos y escape de chimenea, formando una corriente llamada tiro de la caldera .

Son aquellas calderas donde la circulación y la entrada de gases se realiza naturalmente (calderas verticales, 2 pasos, etc.)

El ventilador de tiro forzado, empuja o impulsa alos gases desde el quemador, produciendo una sobrepresión dentro de la caldera. (3 pasos, hogar con retorno, etc.)

El ventilador de tiro inducido, aspira desde la chimenea los gases de combustión creando una depresión interna en la caldera. (acuotubulares, combustibles sólidos, etc.)

En calderas muy grandes, combinando ambos tirajes balanceándolos y en calderas chicaspara combustión de sucedáneos.

Se produce constante y naturalmente aúnmientras el quemador no funciona.

Barrido de gases Al iniciar el ciclo de combustión y antes del

encendido es necesario realizar un barrido preventivo de gases durante un tiempo acorde al combustible y la capacidad que se quema.Los programadores de combustión lo realizan automáticamente.

tiro natural

En calderas de

En calderas de

Inducido

Balanceado

Tipos de tiro

Natural

Forzado

tiro forzado, inducido,

balanceado

TIRAJE

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Presostato de aire

Presostato de baja presión gas

Presostato de alta presión gas

Estanqueidad de cierre en válvulas de gas

Detección llama y autoverificación según capacidades

El programador de combustión realiza la secuencia de encendido de la caldera con un barrido previo, asegurando la evacuación de los gases que puedan haber permanecido dentro del circuito de combustión. Chequea además, durante este período, la presión de aire, la presión mínima y máxima de gas, y el flujo de aire mínimo necesario para lograr encender el piloto. Posteriormente energiza el transformador y la solenoide para el encendido del piloto.De encender sin inconvenientes detecta la llama y permanece encendido energizando las válvulas principales, hasta que se produce el corte por límite de presión, que apaga la combustión.En el caso de no detectar la llama piloto, puede reintentar una nueva secuencia de encendido, con su barrido de gases previo correspondiente, ó según el modelo y tamaño de caldera, pasar al estado de alarma por falta de llama que obliga al operador a efectuar un reenganche manual para reiniciar el ciclo.

Importante

Existen diversas marcas y modelos específicos

de acuerdo al combustible a usar y el tamaño del

generador.

Programador de Encendido

El foguista debe revisar y solucionar el motivo de falla antes de proceder al reenganche del control de combustión.

CONTROLES y ELEMENTOS DE SEGURIDAD EN EL SISTEMA DE COMBUSTION

Para combustión de gas natural controla:

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Como vimos al iniciar este párrafo, la combustión se produce al agregar aire a un combustible yencenderlo, pero para que esta reacción se combine correctamente, se debe tener en cuenta el tipo de combustible y el tipo de caldera, para lograr las proporciones adecuadas en cada caso.

Se producen cambios de color, al variarse el aire, que pueden apreciarse a simple vista.

Llama con tendencia a muy oscura.

Llama con tendencia amarilla.

Llama rojiza - amarillenta brillante.

Llama celeste con leves puntas rosadas.

Llama muy clara y brillante.

Llama muy azul y semi-transparente.

Las variaciones de color, pueden también producirse por otras razones, que resultan engañosas a la vista. (Por ejemplo el mezclado incorrecto del aire con el combustible). Por lo tanto la visualización sirve solo como indicativo y de evaluación rápida, pero nunca debe tomarse como parámetro de buen funcionamiento sin realizar un análisis de gases periódicos.

COLORES DE HUMO A LA SALIDA DE CHIMENEA

Humo apenas perceptible y muy transparente, puede haber presencia de hollín en los tubos.

Combustión

Prácticamente no hay diferencia visual.

Humo marrón oscuro a negro muy denso. Puede apreciarse también en el encendido dela caldera hasta la entrada en régimen.

Combustiónde Fuel Oil Humo color habano de notable transparencia.

Sin humo, se aprecia solamente la vena de aire caliente al igual que cuando se quema gas.

FORMA y COLOR DE LA LLAMA

de gas

Fuel Oil

Gas natural

Fuel Oil

Gas natural

Aire insuficiente

Aire correcto

Aire insuficiente

Aire correcto

Aire en excesoFuel Oil

Gas natural

Aire Insuficiente

Exceso de airey aire correcto

Exceso de aire

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ANALISIS y COMPOSICION DE GASES

En base a la relación aire-combustible que realicemos, obtendremos al analizar los gases de chimenea resultados que nos indicarán si la combustión es correcta o debe ser corregida.

Podemos agrupar la relación en partes aire-combustible de la siguiente forma:

Mezcla aire - gas Por cada 10 partes de aire - 1 parte de gasMezcla aire - petróleo Por cada 15 partes de aire - 1 parte de petróleo (atomizado)Mezclaaire - sólidos Por cada 30 partes de aire - 1 parte de sólidos (triturados)

Sistemas de análisis. Equipos

Ahorro de combustible

Preservación del medio ambiente PERIODICO DE

LA COMBUSTION

CONVENIENCIAS DEL CONTROL

Tabla de relación entre elporcentaje de CO 2 y elexceso de aire de losgases de combustión

ORSAT MEDIDOR CO2 ANALIZADOR TESTO

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RENDIMIENTO de COMBUSTIÓN

Se dice que una combustión es completa cuando todos los productos resultantes, están en el máximo grado de oxidación con una cantidad de aire

Pero la realidad es que si se agrega en la mezcla solamente esa cantidad de aire, la reacción resulta incompleta y no se obtiene la máxima energía disponible, obteniendo inquemados en los gases de escape. La razón puede resumirse en la rapidez con que se produce la oxidación de los productos antes dellegar a la zona más fría (chimenea)Se debe, por lo tanto, agregar un exceso de aire medido para aumentar la velocidad de reacción de lacombustión

y el exceso de aire " λ " es

" λ " = aire total Suponiendo como ejemplo que el resultado sea 1,2 aire teórico

Si lo queremos llevar a % tendríamos: ( λ - 1) . 100 = (1.2 - 1) . 100 = 20 % de exceso de aire

Volviendo al ejemplo de la introducción de la combustión estequiometrica, tenemos los resultados dela misma con menor y mayor cantidad de aire

Calor

CombustibleCO2

+ CO inquemadoH2O (vapor)O2

C - inquemadoSo2 + So3

CH - Hidrocarburo-inquemado

Calor

CombustibleCO2

+ H2O (Vapor)SO2

SO3 (pequeñas cantidades)N2

O2

O2 + N2

teórica C

Aire teórico + aire de exceso = aire total

Aire total Productos chimenea

AIRE TEORICO o ESTEQUIOMETRICO

O2 ++ H2

S

O2 +

N2 +

Airetotal Productos chimeneateórica C

N2 +S

Aire de

+ H2

incompleta

exceso

completaCombustión

Combustión

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Cada situación de fuego tiene un punto óptimo que corresponde a un determinado % de exceso de aire

Por lo tanto,

Reiteremos: El exceso de aire necesario, depende:

� Composición de combustible� Quemador empleado� Temperatura y viscosidades del combustible (F.O)� Dimensiones de la cámara de combustión (hogar)

Medición de gases y temperatura

En la medición de gases, según el equipo que se use, se obtienen valores de:

CO2 Dióxido de carbono Gas inerte, combustión completa.

Combustión incompleta: En Fuel Oil visiblemente detectable

CO Monóxido de carbono por presencia de humos negros y hollín.Es importante su medición, ya que si nos guiamos por el resultado del O2,puede regularse con falta de aire y estar emitiendo una cantidad alta de CO.ES UN GAS MUY TÓXICO Y CONTAMINANTE DE LA ATMOSFERA

N2 Nitrógeno Inerte. No interviene

SO2 Anhídrido sulfuroso Solo en combustibles líquidos (Fuel Oil)

O2 Oxígeno Oxígeno Libre

T Temperatura

Los valores máximos de CO2, según el tipo de combustible son:

F.O. / Diesel Oil 15, 8 %

CO2 máximo Gas natural 11, 9 %

G.L.P. 13, 77 %

Con la medición de estos valores se calcula el rendimiento de la combustión e indirectamente el rendimiento de la caldera.

Si aumentamos el % de exceso de aire, el rendimient o también cae, ya que parte del calor generado se gastó en calentar ese exceso de aire.

Gases decombustión

Si reducimos el % de exceso de aire, el rendimiento será menor por los inquemados.

CONCLUSIONES

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RENDIMIENTOS

Rendimiento combustión para gasCertificado emitido por analizador

TESTO 325-1

Rendimiento térmico de la caldera - Balance de calo r - Procedimiento

Se trata de un balance de masas

Se elige una temperatura de referencia o base ( 0º C cuando se utilizan entalpías)

Se considera el poder calorífico inferior (PCI) del combustible siempre que la temperatura de gases de salida sea menor a 100 ºC

Se evalúan todas las corrientes que aparecen en el siguiente esquema

9 Vapor o fluido de salida Calor útil

GasesCombustible Pérdidas calor sensibleCalor residual del combustible de los gases húmedos de combustión

2 5CombustiónCalor de combustión

1

AireCalor sensible del aire húmedo Inquemadosde combustión Pérdidas en Inquemados

3 6

Agua ó fluido de calefacción RadiaciónCalor en el fluido de alimentación Pérdidas por radiación

4 7

Purgas Pérdidas varias Convección, cenizas, residuos, etc...

8 10

CALORES ENTRANTES (Q e) . CALORES SALIENTES (Q s)

1 + 2 + 3 + 4 = 5 + 6 + 7 + 8 + 9 + 10

Normalmente las pérdidas 10 se obtienen por diferencia para igualar la ecuación

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