Fenómeno de Combustión

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERA

Departamento de Ingeniera Mecnica

Programa Vespertino de Prosecucin de Estudios

Ingeniera de Ejecucin en Mecnica

1

INGENIERIA DE EJECUCION MECANICA

PROGRAMA DE PROSECUCION DE

ESTUDIOS VESPERTINO

ASIGNATURA CONTAMINACION AMBIENTAL Y

DESARROLLO SUSTENTABLE

NIVEL 06

EXPERIENCIA E960

FENOMENO DE LA COMBUSTION

HORARIO: MARTES DE 19.00 A 21.30 HRS.





2

Introduccin: La combustin es la forma predominante de generar energa trmica principalmente a nivel industrial. A su vez, el consumo de combustible sujeto a las fluctuaciones de precios que ellos tienen en los mercados nacionales e internacionales, lo convierte en un insumo de gran relevancia para el sector productivo, el que se hace sentir, de una u otra forma, en el valor final del producto obtenido. Lo anterior, es una justificacin ms que valedera para establecer polticas y acciones que tiendan a

optimizar el rendimiento de combustin de las Fuentes

a racionalizar el uso de combustibles

colaborar con las campaas de descontaminacin establecidas por el gobierno. El parmetro ms importante es el RENDIMIENTO DE UNA FUENTE y para su determinacin convergen una serie de variables que hacen muy difcil la compatibilizacin simultnea de todas ellas. Por lo tanto, he considero - en primer lugar - mostrarles a ustedes las variables que han permitido establecer un PROTOCOLO DE CONTROL que se aplica a todas las fuentes estacionarias de combustin y, dejar para otra oportunidad, lo referido a

Fuentes mviles, de responsabilidad del MTT

Material particulado, Norma : CH-5 y Anlisis de Gases Contaminantes Norma : CH3-A de responsabilidad del SEREMI de SALUD Metropolitano.

Procedimientos para Inspeccin Peridica de las Instalaciones Domiciliarias de Gas Combustible los D.S. 222 Abril de 1996, D.S. 489 de Septiembre de 1999 y D.S. 66 de Febrero del 2007 de responsabilidad de SEC.





3

FENMENO DE LA COMBUSTIN

En trminos Qumicos, la combustin corresponde a la Oxidacin de una sustancia conocida como combustible, para generar Energa. La ecuacin qumica terica que representa al proceso de combustin es :

CxHy + ( x+4

y) O2 x CO2(g) +

2

yH2O(v) +E

Aqu se habla de una ecuacin qumica terica por 2 razones:

El combustible est siendo representado por un hidrocarburo de la forma CxHy, pero en la prctica sabemos que los combustibles contienen adems S, N, O como parte de su composicin y que no aparecen en la ecuacin anterior, sin embargo, deben ser considerados en las ecuaciones de balance de masa y energa asociadas con el proceso.

Por otra parte, la combustin desde el punto de vista qumico, se realiza con O2 como comburente. Sin embargo, a nivel domstico e industrial se realiza con aire, el que corresponde a una mezcla - en volumen - formada por 21 % de O2 y 79 % de N2 y, el N2 que ingresa junto al oxgeno es muy estable, prcticamente no experimenta cambios medibles durante el proceso, y abandona finalmente la cmara de combustin tal como ingres, pero sacando - una cantidad no despreciable de calor sensible desde el hogar para entregarlo al ambiente. En otras palabras, se est calentando el aire ambiente.

Composicin centesimal promedio (en peso) de los combustibles usados en Chile

Gas

Licuad

Gas

Ciudad

Gas

Natural

P.#6 P.#5 Diesel Parafina Lea Carbn

%C 81,0 29,5 76,0 86,6 86,1 86,3 85,9 45,3 72,2

%H 18,9 8,6 23,2 10,6 12,0 13,1 13,5 8,0 5,6

%O 0,0 46,8 0,0 0,1 0,1 0,0 0,0 46,4 11,8

%N 0,0 15,1 0,8 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 1,3

%S 0,0 0,0 0,0 2,6 1,7 0,6 0,6 0,4 1,7

Los productos de combustin son todos gaseosos y emergen desde la cmara de humos a alta

temperatura y bajas presiones, lo que significa que los gases de escape se comportan

aproximadamente como ideales, ya que para esas condiciones el factor de compresibilidad Z tiende

a 1.

1)( 0

P

P

Zlm

Z = 1 + ......)2()(

)(1 2

3 P

RT

aa

RT

aP

RT

ab

RT





4

Para los Organismos Fiscalizadores Chileno ( Seremi Salud; SEC ; ISP; MTT; CONAMA) los

resultados de las mediciones debern estar referidas a la base de clculo de 25C y 1,0 atm, de

acuerdo a lo establecido en el D.S. N4 del 2 de Marzo de 1992, del Ministerio de Salud. Por lo tanto,

el volumen molar de la mezcla ser

Vm = atm

KKmolLatm

P

TR

1

16,298*)/ (082,0 = 24,45 ( L / mol)

La reaccin de combustin, no podra realizarse si faltar ciertas condiciones tales como:

La proporcin aceptable entre aire y combustible: RAC

Un valor determinado de presin y temperatura conocido como Condicin de Ignicin.

Un mezclado homogneo entre combustible y comburente

De acuerdo con estos parmetros podemos concluir que el RENDIMIENTO de la combustin estar vinculado:

Al estado y calibracin adecuada de los quemadores.





5

Se necesita un tiempo de residencia adecuado de la mezcla combustible en el interior del hogar, para garantizar la quema total.

Las dimensiones adecuadas del recinto donde se realizar la combustin, llamado hogar, deber estar a temperatura adecuada para combustionar totalmente la mezcla. Este recinto debera estar tapizado interiormente por refractarios para conservar la temperatura, lo que se conoce como mampostera





6

De acuerdo a la composicin centesimal del combustible, este contiene C % de carbono ( en masa) y la reaccin de oxidacin ser:

C + O2(g) = CO2 (g) entonces:

CbKg1

Cbgr1000

Odelt1000

Odem1

Odemol1

Odelt24,45

Cdemol1

Odemol1

Cdegr12

Cdemol1

Cbgr100

CdegrC

2

2

3

2

22

Kgcb

NdeOm 23

12

C0.2445

Esto significa que para combustionar totalmente el %C contenido en 1 kg combustible,

se requieren de 0,2445 (12

C)m3N Oxgeno

de acuerdo con la ecuacin anterior el mximo valor de CO2 que se obtendra es :

Las reacciones qumicas de combustin para los restantes componentes del combustible: Azufre (S),

Nitrgeno(N) y Oxgeno (O) las podemos presentar por las siguientes ecuaciones:

S + O2 = SO2

N + O2 = NO2

- O + (1 / 2) O2 = - O2

La cantidad de oxgeno requerido ser :

Para Nitrgeno: 0,2445 x ( 14

N) ( m3N Oxig / Kg cb )

Para Azufre : 0,2445 x ( 32

S ) ( m3N Oxig / Kg cb )

Para Oxigeno: (-) 0,2445 x (32

O) ( m3N Oxig / Kg cb )

CO2

Kgcb

deCOm N 23 .

12

C0.2445





7

como se est realizando el balance referido al Oxgeno necesario para combustionar 1 kg de

combustible, debemos restar el oxgeno propio que trae el combustible.

Si sumamos el oxgeno necesario para combustionar cada componente del combustible ( el C; H; N;

S y O), y sacando factor comn 0,2445 tendremos:

O T = 0,2445 x [ 12

C +

4

H+

32

S+

14

N-

32

O] ( m3N Oxigeno / Kg Cb )

Cuando en lugar de Oxigeno usamos Aire como comburente, el proceso se denomina Quemado.

Considerando que el aire contiene 21% en volumen de Oxgeno, entonces podemos calcular el aire

estequiomtrico necesario para quemar 1 Kg de combustible:

Kgcb

airem

Kgcb

deOxigenom NN 3

12

C1.164

Oxgenom0.21

Airem1.

12

C0.2445

3

N

3

N

3

y, la ecuacin general para evaluar la cantidad de aire sera:

A T = 1,164 x [ 12

C +

4

H+

32

S+

14

N-

32

O] (m3N Aire/Kg Cb)

En relacin a los gases producto de la combustin, conocidos como gases de escape, estos estarn

formados por:

CO2 = 0,2445 x (12

C) (m3N / kg Cb)

SO2 = 0,2445 x (32

S) (m3N / kg Cb)

NO2 = 0,2445 x (14

N) (m3N / kg Cb)

H2O = 0,2445 x (2

H) (m3N / kg Cb)

N2 = 0,79 AT (m3N / kg Cb)





8

La suma de estos productos, nos entregan los gases de escape terico hmedos o gases

estequiomtricos hmedos.

Cuando las combustiones se realizaran con el Aire Terico o

Estequiomtrico, ste slo enciende la llama, pero no es capaz de mantenerla. Para ello se requiere

una cierta cantidad de Aire en Exceso.

1.- El Aire en Exceso

El exceso de aire est perfectamente controlada por el Organismo Fiscalizador a travs del Decreto

Supremo N 322 de 1993 (SESMA). La razn por la cual se debe controlar el exceso de aire es para

evitar:

La dilucin de cualquier contaminante que se desee medir, principalmente material

particulado.

Porque el exceso de aire enfra el hogar de la fuente, y la combustin se hace

incompleta generando monxido de carbono CO.

El N2 del aire no interviene en la reaccin de combustin, sin embargo, saca calor

sensible del hogar (Cp dT) para entregarlo a la atmsfera.

Para evaluar el porcentaje de Aire en Exceso, debemos conocer previamente la Relacin de Aire .

Este parmetro se define operacionalmente como el cuociente entre Aire real y Aire terico:

= combustin laen interviene que Terico

combustin de cmara la a ingresa que Re

Aire

alAire=

T

R

A

A =

)21(

21

2mO

GTH= 0,2445 [12

C+

2

H+

32

S+

14

N] + 0,79AT ( m

3N / kg Cb)





9

Entonces se habla de Gas Real Hmedo cuando hay exceso de aire:

Gas Real Hmedo = Gas Terico Hmedo + El Aire en exceso

GRH = GTH + A exceso

Definimos :

= )21(

21

2mT

R

OA

A

- 1 = 1T

R

A

A

- 1 = T

R

A

A TA -

Pero en termodinmica sabemos que la diferencia entre lo Real y Lo Terico se llama Exceso

Aire en Exceso = AR - AT

- 1 = TA

xcesoAE / 100

100 (-1) = 100 [TA

xcesoAE] = % A. Exceso

El Aire en exceso ser : A.Exceso = AT ( - 1)

Por lo tanto se ha normado el porcentaje de aire en exceso mximo permitido para las combustiones,

a travs del D.S. N4 del 2 de Marzo de 1992 del Ministerio de Salud y tambin fue acogido por la

SEC para las fuentes domiciliarias. Los valores se reportan en la siguiente tabla:





10

COMBUSTIBLE % A.Exc.

mximo permitido

Diesel 20

P# 5 40

P#6 50

Carbn parrilla 100

Carbn pulverizado 50

Lea, Astilla, Aserrn 150

Kerosenne 20

Gases combustibles

GN; GC y GLP

10

En la prctica, los equipos analizadores, determinan el O2 que no interviene en la reaccin qumica,

por lo tanto se conoce el valor de ( relacin de aire), la que conlleva a determinar finalmente la RAC

del proceso

El aire total que ingresa a la cmara de combustin de la fuente ser :

ATotal = ATerico + A Exceso

= AT + AT ( - 1 ) (combstibleKg

Airem

3

)

= AT (combstibleKg

Airem

3

)

Como se conoce la densidad del aire a las condiciones en que se midi el O2 en exceso, el cual es de

(Airem

AireKg

3

), tendremos el valor de la RAC = AT (

ecombustiblKg

Airem

3

) (Airem

AireKg

3

) = AT

(cbKg

AireKg

)





11

El mejor valor de la RAC = ecombustibl Kg 1

Aire Kg 15

Cuando una fuente supera el valor establecido por la norma, deber aplicarse, un factor de

correccin por Aire en Exceso, establecido en los decretos N 32/ 1990 y N 322/ 1991

[C] Corregida = [C ] Medida fc

Donde

fc = factor de correccin = permitidomxAExc

medidoAExc

..%100

.%100

[C] Corregida = [C ] Medida (permitidomxAExc

medidoAExc

..%100

.%100

)

En lo referente al Q : caudal de los gases de escape, segn el D.S. N 812 de 1995 del Ministerio de

Salud, indica que tambin debe ser corregido segn la ecuacin :

Q corregido = fc

medido Q

Q corregido = Q medido (medidoExcA

permitidomxAExc

..100

..%100

)

2.- RENDIMIENTO DE LA COMBUSTIN: De acuerdo a la ecuacin bsica de combustin establecida anteriormente

CxHy + ( x+4

y) O2 = x CO2(g) +

2

yH2O(v) +E

Podemos decir que mientras mayor sea la emisin de CO2(g), significa que ms completa ha sido la combustin, por lo tanto, el CO2(g) desprendido es un parmetro indicativo de una buena combustin. De acuerdo a lo expresado anteriormente





12

CO2 mx

Kgcb

deCOm 23

12

C0.2445

Si este valor lo referimos porcentualmente a los gases Reales Secos (GRS) tendremos:

% CO2 mx. = 100 GRS

12

C0.2445

Por lo tanto, el Rendimiento de la combustin lo determinamos en funcin del % CO2 medido y el porcentaje de CO2 mx.,terico 3.- DETERMINACIN DE LA PLENA CARGA DE LA FUENTE Los Organismos Fiscalizadores solicitan hacer las mediciones de las fuentes a plena carga, ya que

a esta condicin los parmetros de seguridad son perfectamente conocidos por el fabricante de la

fuente y se encuentran debidamente informados en la placa de la caldera

La determinacin de la plena carga requiere en primer lugar conocer el caudal normalizado y corregido de la fuente problema (Qnc). Este parmetro se determina conociendo el rea del ducto de evacuacin y la velocidad de los gases de escape.

Q medido = v (h

m) x Area ducto ( m2)

La velocidad de los gases efluentes se determina haciendo un barrido con un tubo de Pitot, para determinar la presin de velocidad, en la seccin transversal del ducto de chimenea

% combustin = 100max %

%

2

2 xCO

medidoCO

La Plena Carga se refiere al consumo mximo de combustible en

el quemador de la fuente, para lograr su potencia nominal para la

cual fue diseada la fuente





13

pitot = n

pi

De la ecuacin de Bernulli

V = 34,97 Cp MwPabs

PTg

(m/s)

34,97 = factor que hace dimensionalmente compatible la identidad. Cp = Coeficiente del Pitot que se utilice Tg = Temperatura absoluta de los gases

P = Delta Pitot ( mm.c.a.) Pabs = Presin Absoluta ( mm Hg) Mw = Peso molecular del gas hmedo el rea de flujo ser :

Ach = r2 = (

2

)2 (m2)

Caudal de los gases de escape Normalizado y corregido ser:

N

NN

T

VP

Tm

VmPm

N

NN

T

QP

Tm

QmPm





14

N

NN

T

VP

Tm

VmPm

N

NN

T

QP

Tm

QmPm

fN= mN

NN

T

P

P

T

Qm

Q)(* = *

760

16,298 mT

P)( = 0,3923 * m

T

P)(

fc = factor de correccin = permitidomxAExc

medidoAExc

..%100

.%100

El contenido de humedad de los gases de escape se determina usando el Nomograma de la EPA Con este nomograma es posible conocer el peso molecular de los gases de escape como secos (Dry) y como hmedos (WET) mediante las relaciones :

XH2O = D

DW

M

MM

18

Xgs = 18

18

D

W

M

M





15

Porcentaje de humedad: % H2O = 100 Xgs

fc

m) T

P( 0,3923 Xgs A Vch 3600

El caudal Normalizado y corregido por aire en exceso:

Q NC = fc

mT

PXgsAchVch )(3,1412

(h

gem3)

El consumo de combustible, para las condiciones de operacin de la fuente se puede determinar por la relacin :

CC (h

kgcb) =

)(

)(

3

3

kgcb

mGRS

h

mQNC

El porcentaje de plena carga de la fuente, se determina por la relacin:

Plena Carga = 100Nominal Consumo

corregido)y .(normaliza Calculado Consumox

80 % < Plena Carga < 100





16

4.- DETERMINACIN DEL VAPOR GENERADO POR LA FUENTE El clculo de la generacin de vapor no es un clculo exacto sino ms bien una estimacin ya que la fuente est sujeta a cambios constantes de consumo combustible, de variaciones de presin y temperatura, de cambios operacionales afectada por la produccin de la empresa y por las exigencia de vapor solicitadas al operador de la fuente. Podramos de decir que slo tenemos una buena aproximacin en la generacin de vapor, al considerar lo terico Ms representativo resulta el clculo a travs de tablas de vapor saturado, ya que para aplicarla debemos considerar la presin manomtrica del vapor y la temperatura, el rendimiento de combustin y el consumo de combustible. Todos estos parmetros son valores medidos instrumentalmente en la fuente combustiva y, por ende, nos acercan mucho a lo real.

CC = consumo combustible h

Kgcb

= rendimiento de la combustin

PCI = poder calorfico inferior (Kgcb

Kcal)

H = Entalpa total (Kgv

Kcal)

En esta ecuacin es ideal ya que no se ha considerado las prdidas, slo hemos supuesto que el consumo de combustible se ha transformado totalmente en calor.

Combustible PCS

cb Kg

Kcal PCI

cb Kg

Kcal

Densidad

combustible(cb

Kg3m

cb )

Diesel 12.572 12.228 0.85

P # 5 12.014 11.239 0,96

P # 6 10.658 10.037 0,98

GLP 11.200 10.108 2,00

GN 15.079 13.761 0,63

GC 6.618 6.087 0,68

Vapor = )/(

)/(

KgvKcalvapordelEntalpa

hKcalquemadorCalricaPotencia=

H

PCICC





17

RENDIMIENTO EN LA GENERACIN DE VAPOR

% R Vapor = 100*(placa) fabricantepor informadoVapor

fuente lapor producido Vapor

PROBLEMA APLICACIN: La caldera de una recauchadora de neumticos usa petrleo diesel #2 como combustible. La placa de la caldera nos da la siguiente informacin:

Presin de trabajo ( vapor) = 75 psi ( aprox. 5 atm)

Vapor generado = 900 kgv/h

Consumo nominal = 45 (Kg cb/h)

Dimetro de flujo chimenea = 15,7 pulgadas (0,4 m)

Presin absoluta ( baromtrica) = 718 mm Hg Los parmetros de combustin ledos a la condicin de plena carga son los siguientes:





18

% CO2= 6,5

% O2 = 8

CO en el ambiente laboral = 42 ppm

Temperatura de los gases = 170 C

Presin de velocidad promedio de los gases = 0,8 mm.c.a.

Peso molecular promedio gases de escape secos = 29,7 (g/mol) Desarrollo:

A T = 1,164 x [ 12

C +

4

H+

32

S+

14

N-

32

O] = 1,16 (

32

6,0

4

1,13

12

3,86 ) = 12,16 (m3N Aire/Kg Cb)

1

6,1)821(

21

)21(

21

2

mT

R

OA

A

%AExc = 100 (-1) = 100 ( 1,6 -1) = 60 %

ge = 3

74,0

)16,273170(

082,0

9,28 1

m

Kg

KmolK

LAtmmol

gAtm

RT

MwP

fC = permitidomxAExc

medidoAExc

..%100

.%100

= 33,1

120

160

20100

60100

% CO2 (correg) = % CO2 (medido) fC = 6,5 1,33 = 8,6 %

Respecto al monxido de carbono ambiental CO

CO corregido = CO m fc = 42 1,33 = 56 ppm.

RAC = At ge = 12,16 1,6 0,74 = 1

4,14





19

Considerando que lo mximo permitido para interiores es 45 ppm, la fuente queda con sello

amarillo y sujeta a revisin mecnica.

GRH = 0,2445 ( cbKg

GRHA

SNHCT

.

m( )21,0()

3214212

3

)

GRH = 0,2445 (32

6,0

2

1,13

12

3,86 ) + 12,16 (1,6- 0,21 ) = 20,2

cbKg

GRHm

.

3

GRS = GRH 0,2445 (2

H) = 24 0,2445 (

2

19) = 18,6 (

cbKg

GRSm

.

3

)

De acuerdo a la composicin centesimal del combustible:

CO2 mx . = 0,2445 (12

C) = 0,2445 (

12

3,86) = 1,76 (

cbKg

CONm

.

. 23

)

% CO2 mx. =

cb Kg

36,18

CO 76,1 2

3

GRSNm

cbKg

Nm

x 100 = 9,46 %

Combustivo = 46,9

6,8

.

2

2 mxCO

corregidoymedidoCO X 100 = 91 %

De acuerdo con el Nomograma tenemos:

Xgs = 18

18

D

W

M

M = 94,0

186,29

189,28

Vch = 34,97 Cp MwPabs

PTg

=34,97 0,84

)(9,39,28718

8,016,443

s

m

Ach = r2 = (

2

)2 (m2)= (

2

4,0)2 = 0,126 m2





20

Q NC = fc

mT

PXgsAchVch )(3,1412

= 4,78233,1

)16,443

718( 94,0 126,0 9,3 3,1412

(h

gem3)

El consumo de combustible, para las condiciones de operacin de la fuente se puede determinar por la relacin:

CC (h

kgcb) =

)(

)(

3

3

kgcb

mGRS

h

mQNC

= h

cb 42

6,18

4,782 Kg

El porcentaje de plena carga de la fuente, se determina por la relacin:

Plena Carga = 100Nominal Consumo

corregido)y .(normaliza Calculado Consumox

= %5,93100*45

42

80 % < Plena Carga < 100 %

Por lo tanto la fuente, durante la medicin, se mantuvo a plena carga como exige la Norma.

El vapor producido por la caldera:

A travs de la tabla de vapor saturado y con la presin manomtrica del vapor de 75 psi ( 5 Atm ),

la entalpa total es de 657 (Kgv

Kcal), entonces:

Vapor = )/(

)/(

KgvKcalvapordelEntalpa

hKcalquemadorCalricaPotencia=

H

PCICC

Potencia del quemador ser:

Pc (h

kcal) = 42(

h

Kcb) 0,91 12.228(

Kcb

Kcal) = 467.354,2 (

h

kcal)





21

Vapor = h

Kgv

Kgv

KcalEntalpa

h

KcalPotencia

712657

2,354.467

Rendimiento en Vapor = % 1,79100*900

712100*

nominalVapor

calculadoVapor

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