Captulo 1.- El proceso de combustin. OBJETIVO- En esta asignatura se pasa revista a las definiciones bsicas relacionadas con la combustin, haciendo especial atencin a las consecuencias de la calidad de la mezcla combustible/comburente, a la transferencia de calor y a los diagramas de combustin.

1.1. GeneralidadesLa inmensa mayora de los hornos cermicos se alimenta con combustibles fsiles o convencionales, ya sean slidos, lquidos o gaseosos, y que desarrollan su energa por medio de la combustin. Tan slo una minora funcionan con energa elctrica. En este contexto, tanto la variedad de hornos como la diversidad de productos a cocer es prcticamente ilimitada, lo que supone todo un universo de combinaciones. La figura 1.1 ilustra la vista interna de un moderno horno tnel de 7,2 m de ancho y con sistema de quemadores laterales de alta velocidad para la coccin de 600 t/d de cermica estructural. Figura 1.1: Interior de un horno tnel.

En la figura se pueden observar los diversos quemadores de gas natural dispuestos al tresbolillo, y que usarn como cmara de combustin el espacio, en general transversal al eje longitudinal del horno, existente entre los diversos paquetes de material. Se entiende por combustin la combinacin de los combustibles clsicos, basados en carbono e hidrgeno, principalmente con el oxgeno del aire.A lo largo de este captulo se estudiar, en primer lugar, la combustin, para posteriormente analizar el tipo de quemador ms adecuado para la coccin de los diversos productos.

1.2. Definicin de combustinCon el nombre de combustin se designa toda reaccin qumica que va acompaada de gran desprendimiento de calor. Sin embargo, la combustin propiamente dicha es una oxidacin rpida que produce el calor y la temperatura suficientes para que haya luz, bien sea con llama o sin ella. En el caso de que no exista llama, la combustin se denomina lenta, como puede ser la combustin de un cigarrillo. Cuando existe llama, la combustin se denomina viva, por ejemplo, la de una cerilla, el fuego del carbn en una caldera, etc. Con el fin de que tenga lugar la combustin, deben mezclarse combustible y comburente lo ms ntimamente posible y, debido a que sta en general no es espontnea, tiene que iniciarse con un punto de ignicin, es decir, con un foco calorfico (aunque sea pequeo) de elevada temperatura, tal y como ocurre, por ejemplo, con la chispa de la buja en la mezcla gasolina-aire. Este fenmeno puede tener lugar de una manera instantnea para cantidades pequeas o grandes de combustible, como puede suceder en el caso de los combustibles gaseosos; en este caso se habla de explosin. Por esta razn, a diferencia de lo que acontece en el motor de explosin, los combustibles gaseosos no se mezclan con el aire antes de la combustin, sino que, conducidos adecuadamente por separado, el aire y el gas, se van mezclando en el mismo momento y durante toda la reaccin. Tal y como se ha mencionado con anterioridad, la combustin es tanto ms perfecta cuanto ms fcilmente se mezclan el combustible y el comburente; por ello, son magnficos combustibles los gases y los lquidos fcilmente vaporizables, y tambin por la misma razn, entre otras, se quema hoy da ms carbn pulverizado que en trozos. La combustin siempre tendr lugar en fase gaseosa, y la llama ser estable solamente si la temperatura es elevada.Por tanto, antes de comenzar la reaccin, el combustible debe ser llevado a su temperatura de inflamacin. En la tabla 1.1 se indican algunas temperaturas de inflamacin para diversos combustibles. COMBUSTIBLETEMPERATURA DE INFLAMACIN (C)

Hulla400-500

Lignito250-450

Coque700-750

Petrleo530-580

Gas de gasgeno700-800

Gas de alumbrado700-800

Tabla 1.1. Temperaturas de inflamacin para algunos combustibles.

Durante la combustin se admite que el hidrgeno y el carbono, libres del combustible, se combinen para formar hidrocarburos del tipo del metano y etileno, los cuales pueden reaccionar fcilmente con el oxgeno del aire, dando lugar a anhdrido carbnico (CO2) y vapor de agua. Si la combustin es incompleta, algunos gases combustibles pueden escapar sin arder, por lo que pueden generarse otros compuestos gaseosos tales como el monxido de carbono (CO) y los xidos de nitrgeno (NOx). El hecho de que la combustin sea perfecta, es decir, con ausencia de gases inquemados (CO, NOx,...) resulta decisivo en el comportamiento de las instalaciones de combustin. En este sentido, existen una serie de condicionantes fsicos y otro de carcter qumico. Por ejemplo, la combustin por combinacin qumica del combustible y del comburente tendr lugar si se cumplen las siguientes condiciones: - Temperatura suficiente. - Presencia adecuada de combustible. - Presencia adecuada de comburente.1.3. La combustin como proceso qumicoAnteriormente se ha definido la combustin como una oxidacin rpida de la materia combustible con desprendimiento de calor. As pues se precisa, en primera instancia, que el combustible a oxidar tenga, al menos, uno de los tres nicos elementos susceptibles de combinarse con el oxgeno con liberacin de calor: C (carbono), H (hidrgeno) y S (azufre). Las reacciones elementales de combustin son:

Los combustibles slidos y lquidos debern pasar por una fase previa de gasificacin para que se desprendan los voltiles, pues este tipo de reacciones siempre tienen lugar en fase gaseosa. La figura 1.2 simboliza la unin de un tomo de carbono con otros dos de oxgeno1.

Figura 1.2: Unin de un tomo de carbono con dos de oxgeno en una reaccin de combustin. Tal y como se ha mencionado, otro factor indispensable es la mezcla ntima y adecuada del combustible (se entiende los voltiles) y el comburente, que suele ser aire. Seguidamente, cuando la mezcla es la correcta, se debe proceder a la ignicin. A partir de este momento, el calor generado permite mantener un nivel de temperatura que asegura la continuidad de la reaccin. 1 De hecho, esta reaccin es una excepcin a la regla, ya que el carbono no se volatiliza a las temperaturas normales de combustin; sin embargo, se incluye por simplicidad didctica. 1.4. El mecanismo de la combustinA excepcin de la combustin del carbono, que es una reaccin heterognea, porque este elemento no se volatiliza a las temperaturas normales de combustin, las dems reacciones de combustin transcurren en la fase gaseosa por sucesin de rpidas reacciones en cadena.

1.4.1. La cmara de combustinEl trmino cmara de combustin se define cmo el espacio preciso para que se realice la combustin. Cuando sta se lleva a cabo, debido al gran aumento de temperatura, el volumen de los humos de combustin se multiplica y es preciso disear un espacio para que los gases puedan adquirir la velocidad y presin requeridas. Al describir la cmara de combustin, debe hacerse en el sentido ms amplio posible: por ello, es necesario incluir tanto el espacio vaco entre paquetes de carga en los hornos como las toberas especialmente diseadas para desarrollar la combustin en su interior. Por lo general se entiende por cmara de combustin de un quemador aquel espacio donde se desarrolla la llama y se estabiliza. La figura 1.3 muestra diversas configuraciones en hormign refractario. A la izquierda, se muestra una cmara para quemador de alta velocidad, y las otras dos, corresponden a bloques para quemadores de media o baja velocidad, pero de alta temperatura.

Figura 1.3: Cmaras de combustin.

1.4.1.1. Cmara de combustin de un quemadorEl espacio necesario para la combustin est ntimamente relacionado con la forma y dimensin de la llama, por lo que a la hora de elegir el quemador, es absolutamente imprescindible tener en cuenta el tipo de cmara. Las cmaras de combustin ms especiales son las toberas. En la figura 1.4 aparecen, en la parte superior, una de carburo de silicio y otra de hormign refractario. Desde el punto de vista de funcionamiento y explotacin del horno, el material en que se hallan construidas las toberas debe ser muy resistente al choque trmico. A la puesta en marcha del quemador, en pocos minutos el material pasa de temperatura ambiente a centenares o miles de grados. La construccin en hormign prima la resistencia mecnica (un bloque de paredes gruesas), mientras que las de carburo de silicio ponen mayor nfasis en la conductividad del material.

Figura 1.4: Cmara de combustin en CSi y en hormign.A las cmaras, unas veces se les imprime un carcter de elemento protector de la arquitectura de las paredes de los hornos frente a las altas temperaturas que puedan desarrollarse. Sin embargo su diseo obedece ms a razones de estabilidad de llama y conduccin de gases producto de la combustin en particular las destinadas a los quemadores de alta velocidad. 1.4.2. La llamaLa llama es la zona o regin en la que tiene lugar la reaccin de combustin entre el gas combustible y el gas comburente. Como quiera que la reaccin de combustin va acompaada de generacin de calor, los gases producidos adquieren temperaturas elevadas. Esta temperatura provoca que se emita radiacin en parte luminosa, de ah que una de las afecciones de la llama sea precisamente la masa de gases incandescentes producidos por la combustin. En el estudio terico de este proceso se distinguen dos mecanismos posibles: la deflagracin y la detonacin. En el primer caso, la reaccin qumica est soportada por ondas subsnicas, mientras que en el segundo, la reaccin qumica est soportada por ondas supersnicas. La detonacin es un fenmeno inusual, o incluso inexistente para ciertos combustibles como el gas natural. Se denomina frente de llama a la separacin entre el gas quemado y el gas sin quemar, y es la zona donde tienen lugar las reacciones principales. El espesor del frente de llama vara desde menos de 1 mm hasta la totalidad de la cmara de combustin, segn las condiciones. Este hecho puede originar ciertos problemas en la coccin de los materiales cermicos. Asimismo, se denomina propagacin de la llama al desplazamiento del frente de llama a travs de la masa gaseosa. La velocidad de propagacin depende de la transmisin de calor entre los gases ya quemados y los inmediatos. Cuando estos ltimos logran alcanzar la temperatura de ignicin, comienzan a arder, propagando as la combustin. Si la mezcla combustible-aire tiene un movimiento global determinado, el frente de llama se estaciona es una posicin prefijada, siendo necesario para ello que la velocidad de los gases se iguale a la velocidad de propagacin de la llama. Es el caso de los quemadores.

1.4.2.1. Condiciones para que se produzca una llamaEs sabido que para que se pueda producir la combustin, es necesario que el combustible alcance la temperatura de ignicin. En la prctica, en el caso de combustibles lquidos, se usa el punto de inflamacin, que es normalmente de 20 a 60 C inferior a la temperatura de ignicin. Cuando se alcanza el punto de inflamacin, el combustible empieza a arder al contacto de su superficie con una llama, pero la combustin cesa al retirar la llama, ya que el calor desprendido de la zona inicial no se transmite con suficiente rapidez a las zonas contiguas, y no se alcanza en ellas la temperatura de ignicin. Una mezcla combustible-comburente es inflamable cuando puede propagarse la llama iniciada en uno de sus puntos. La inflamabilidad es funcin de la velocidad de propagacin de la llama. Dicha velocidad depende de la conduccin de calor y de la difusin de las partculas activas, originadas en la combustin, en sentido opuesto al flujo del gas; sin embargo, no es muy elevada, dado que la conduccin trmica gaseosa que condiciona los resultados sigue un proceso lento y puede variar entre unos pocos cm/s (propano-aire) hasta algunos m/s (mezcla estequiomtrica hidrgeno-oxgeno). La mezcla estequiomtrica combustible-comburente es siempre inflamable, pues proporciona una temperatura de llama bastante alta como para calentar las zonas contiguas hasta la ignicin. Si se diluye la mezcla por adicin de un componente inerte, la temperatura de la llama descender y llegar un momento en que ya no habr propagacin, existiendo dos composiciones lmite de la mezcla que encierran el intervalo de inflamabilidad. Adems de estos lmites de inflamabilidad, existe un campo de temperatura de la llama, definido tambin por una temperatura mxima y otra mnima, coincidentes con los instantes final y de encendido, respectivamente, a las que pueden encontrarse los gases que intervienen en la combustin como productos inquemados. Tambin hay unos lmites que definen el intervalo de presiones dentro del cual puede existir la llama. Asimismo, se crea el denominado efecto pared, que impide la existencia de la llama en las proximidades de las paredes del recinto por la transmisin de calor con stas.

1.4.2.2. Forma y tipos de llamaLa naturaleza de la llama, como mximo exponente de la combustin, afecta a todos los parmetros de funcionamiento de un horno. Por otro lado, segn el destino del horno, es preciso el desarrollo de un tipo u otro de llama. Las llamas se pueden clasificar por diversos conceptos, entre los que cabe destacar: - Atendiendo a la mezcla. Las llamas se denominan de premezcla o de difusin, segn que la aportacin de combustible al sistema de generacin de la llama se realice previamente, mezclando ste con mayor o menor cantidad de comburente, o bien en forma pura, respectivamente. - Atendiendo a la velocidad de mezcla aire/combustible. Las llamas pueden ser laminares, con baja velocidad, o turbulentas, con aspecto de torbellino y ruidosas. La tabla 1.2 resume los diferentes tipos de llama o sistemas de combustin. MEZCLA COMBUSTIBLE/COMBURENTERGIMEN DE FLUJOEJEMPLOS

PremezclaTurbulento Buja en motor de gasolina

Turbinas de gas de bajo NOx

LaminarLlama plana

Llama Bunsen

Difusin (sin premezcla)Turbulento Combustin de carbn pulverizado Turbina aeroderivada Motor Diesel

Cohete H2/O2

LaminarFuego forestal Quemadores radiantes

Vela

Tabla 1.2. Tipos de llamas o sistemas de combustin.

La forma de la llama es una de las caractersticas que ms influye en el proceso de transferencia de calor. Las velocidades relativas de mezcla de las corrientes de aire y combustible son los factores que tienen mayor trascendencia sobre la magnitud de la dimensin y la forma de la llama. En principio, un mayor aumento de la presin de la mezcla alarga la llama, mientras que si lo que aumenta es el aire la llama se acorta. El espesor de la llama se reduce a base de dar una mayor velocidad de salida a los productos de la combustin. Si la combustin se completa en el interior de la tobera, se alcanza una elevada temperatura, lo que se traduce en un gran aumento de volumen y una gran velocidad de salida. La tabla 1.3 reproduce diversas formas y tipos de llama. Por lo general, en los hornos cermicos, se usa el primer tipo (con llama mucho mas corta) y el modelo de alta velocidad, con velocidad mas o menos elevada en funcin de la ubicacin del quemador en el horno. La tendencia moderna tiende a la colocacin de numerosos quemadores en lugar de uno, o pocos, de la misma potencia calorfica global. Si bien este procedimiento encarece la construccin, tambin evita la produccin de puntos calientes con los consiguientes problemas de calidad en los materiales. TIPOS DE LLAMA

AP: Aire primarioAS: Aire secundarioDescripcin de la llamaRotacin de la llamaRecirculacin de la llamaSistema de entrada aire/gasCalidad de la mezcla

Convencional Muy dbil Pequea Axial Media

Lanza Poca Debido a AP y AS Velocidad jet AP>AS Media

Bola Considerable Flujo caliente en el interior de la llama Velocidad jet AS>AP IntensaAlta

Cnica Alta Flujo fro invertido en el interior Velocidad jet AS>>>AP IntensaAlta

Plana Muy alta Mnima Radial Rpida

Larga y luminosa Ninguna Ninguna Jets aire y gas-laminar Lenta

Muy luminosa Ninguna Ninguna Velocidad jet combustin de aire Lenta

Alta velocidad Baja Pequea y exterior Combustin completa en el interior de la tobera Rpida

Tabla 1.3. Formas y tipos de llamas.

1.4.2.2.1. Llamas de premezclaEn ellas, el combustible se aporta mezclado con mayor o menor cantidad de aire, que se designa como aire primario (AP). Si la premezcla contiene todo el aire necesario, se dice que la premezcla es total, en caso contrario, se denomina premezcla parcial. En las llamas de premezcla se observa un cono interno cuya superficie constituye el frente de llama en el que tiene lugar la reaccin de combustin que implica al aire primario y al combustible. Si la premezcla es total, la reaccin acaba ah, en caso contrario, el resto de combustible sigue quemando en el llamado cono externo, tomando aire (secundario AS) del exterior por difusin. En general, el cono interno de la llama -tambin denominado azul- tiene una apariencia azulada, debido a la presencia de radicales OH; sin embargo, en mezclas con poco aire, la tonalidad adquiere un color verdoso. Aunque la proporcin de mezcla gas-aire se halle dentro de los lmites de inflamabilidad, no siempre se consiguen llamas estables. En efecto, si se aumenta la velocidad de la mezcla de gases, la llama se separa de la boca de salida y puede incluso desprenderse y extinguirse. Por el contrario, si se disminuye la velocidad, la llama puede retroceder y llegar incluso a prender en el inyector (en un quemador tipo Bunsen). Las llamas de premezcla se utilizan para quemadores donde sea posible llevar a cabo la mezcla del combustible y el comburente, lo que permite un mejor control de la temperatura. Las llamas de premezcla se utilizan para quemadores donde sea posible llevar a cabo la mezcla del combustible y el comburente, en los que se permite un mejor control de la temperatura. La figura 1.5 muestra dos ejemplos de llamas de premezcla.

Figura 1.5: Llamas de premezcla. La figura de la izquierda corresponde a un equipo de calentamiento tpico de infrarrojos (llama plana laminar), mientras que la figura de la derecha es un mechero Bunsen tpico. 1.4.2.2.2. Llamas de difusinA diferencia de las llamas de premezcla en las que el combustible y el comburente se mezclan antes de llegar a la zona de la llama, existen sistemas en los que la fase de mezcla es lenta comparada con la velocidad de reaccin, con lo que aquel proceso es la etapa controlante. Este tipo de llamas son las de difusin, en las que el combustible puede ser un gas o una fase condensada (lquido o slido), y el oxidante puede ser un gas fluyente o una atmsfera en reposo. La caracterstica especfica de la llama de difusin es que la velocidad de combustin est determinada por la velocidad de la mezcla. La forma del chorro de gas laminar depende slo de la cantidad de aire suministrado. Si ste fluye en una corona concntrica al chorro de gas central en exceso a la tasa estequiomtrica, la llama adquiere una forma cerrada y alargada. Lo mismo sucede si el chorro se descarga en una atmsfera tranquila. Las llamas se denominan as sobreventiladas. Si por el contrario, el aire se suministra en defecto, se forma una llama subventilada en forma de abanico. El color es un distintivo de las llamas de difusin. En lugar del violeta o azul-verdoso de las de premezcla, las de difusin gradan del amarillo brillante al rojo. Este sistema se usa mucho cuando se emplea comburente precalentado que no puede premezclarse con el combustible.

Figura 1.6: Llama de difusin laminar.

1.5. El aire en la combustinSe utiliza aire como comburente en las combustiones por ser la fuente de oxgeno ms abundante, barata y fcil de manejar. El aire es una mezcla de gases con la composicin media que indica la tabla 1.4. ELEMENTOSEN PORCENTAJE APRECIABLE (% Volumen)1EN PEQUEA PROPORCIN. PARTES POR MILLN (ppm.)

Nitrgeno 78'084 0'004

Oxgeno 20'946 0'002

Anhdrido carbnico 0'033 0'001

Argn 0'934 0'001

Nen 18'180 0'040

Helio 5'240 0'004

Kripton 1'140 0'010

Xenn 0'087 0'001

Hidrgeno 0'050 0'001

xidos de nitrgeno 0'500 0'100

1 1% equivale a 104 ppm.

Tabla 1.4. Composicin del aire.

No obstante, segn las circunstancias geogrficas y meteorolgicas, pueden presentarse trazas de otros compuestos: monxido de carbono, anhdrido sulfuroso, hidrocarburos ligeros y ozono. Tambin contiene vapor de agua en mayor o menor proporcin, dependiendo de la presin baromtrica y temperaturas (hmeda y seca). Adems, localmente puede contener muchos ms compuestos dependiendo de los equilibrios lquido-vapor, emisiones de fuentes contaminantes, etc. Para la mayora de las aplicaciones, carece de sentido realizar los clculos con las composiciones indicadas anteriormente, ya que se complican innecesariamente las operaciones. En estos casos, se utiliza la siguiente composicin aproximada: Nitrgeno: 79% en volumen (77% en peso) Oxgeno: 21% en volumen (23% en peso) Los clculos basados en esta composicin nicamente dan lugar a errores apreciables cuando el combustible contiene una cantidad importante de nitrgeno. Al observar la composicin del aire, se ve que por cada volumen de oxgeno aportado se introducen en las condiciones tericas 79/21= 3'76 volmenes de nitrgeno sin poder evitarlo. A este respecto, el nitrgeno es un elemento inerte y acta de forma negativa "robando" parte de la energa qumica liberada en la combustin para aumentar su temperatura.

1.5.1. Tipos de reacciones y clculosTomando el caso del metano para simplificar, se pueden distinguir 3 tipos bsicos de combustiones: - Completas: cuando las reacciones estn totalmente desplazadas hacia la derecha, con independencia del exceso de aire empleado. En este caso, todos los productos de la combustin estn oxidados. As pues, en los gases de combustin slo existirn: CO2, H2O, N2 y cantidades variables de O2. La reaccin tpica ser: Exceso de aire: CH4+3O2 CO2+2H2O+O2+ D (calor) - Estequiomtricas: son aquellas combustiones completas que se han llevado a cabo sin exceso (ni defecto) de aire. Esta condicin es necesaria pero no suficiente, ya que adems la mezcla combustible-comburente debe ser total y homognea. En caso contrario, habra zonas en las que las molculas del combustible no encontraran a las molculas del comburente. Si se cumplen estas condiciones, obviamente los nicos productos de la combustin sern: CO2, H2O, N2 y la temperatura alcanzada ser la mxima. Estequiomtrica: CH4+2O2 CO2+2H2O+ D (calor) Los clculos elementales de la reaccin estequiomtrica de combustin para el metano se establecen a partir de la tabla 1.5.

ELEMENTOSCH4O2CO2H2O

Moles1212

Peso16232 = 6444218 = 36

Tabla 1.5. Cantidades estequiomtricas en masa para el metano.

- Incompletas: son aquellas en que los gases de combustin contienen compuestos parcialmente oxidados (inquemados) como el monxido de carbono, combustibles sin oxidar como el hidrgeno, partculas de carbn, etc. Estas combustiones pueden efectuarse con exceso o con defecto de aire. Defecto de aire: 2CH4+2O2 CO+CO2+3H2+H2O+ (calor) 1.5.1.1. Clculos en volumenSiguiendo con el ejemplo del metano, un volumen de gas proporciona un volumen de CO2 y necesita dos volmenes de O2. Como que el % en volumen de O2 en el aire es del 21%, la cantidad de aire necesaria ser de (2100) / 21 = 9,52. Es decir, un mol de metano -que en condiciones normales ocupa 22,4 l- necesita para arder estequiometricamente 9,52 veces de aire. O lo que es lo mismo, 1 m3 de metano precisa 9,52 m3 de aire y da lugar a 1 m3 de CO2. La tabla 1.6 ilustra este caso. CH4+AireCO2+H2O+N2

1 m39,52 m31 m32 m37,52 m3

Tabla 1.6. Volmenes en reaccin estequiomtrica.

La composicin1 en volumen de los productos de la combustin ser: CO2: 11,74% N2: 88,26% 1 Lo normal es dar la composicin de los gases secos, es decir, habiendo deducido el agua, ya que en muchas ocasiones sta condensa y deja de formar parte de los gases de emisin. 1.5.1.2. Clculos en pesoTeniendo en cuenta que, en peso, el porcentaje de O2 en el aire es del 23%, para combinar estequiomtricamente 1 kg de metano se precisa:

donde "x" son 4 kg de O2 que, en forma de aire, sern: (4100) / 23 = 17,39 kg, y darn lugar a los siguientes productos de la combustin: CO2

donde "y1" son 2,75 kg de CO2. H2O

donde "y2" son 2,25 kg de H2O. N2 N2 = 17,39 x 0,77 = 13,39 kg En trminos de emisin, la ecuacin deber escribirse como muestra la tabla 1.7. CH4+AireCO2+H2O+N2

1 Kg17,39 Kg 2,75 Kg2,25 Kg13,39 Kg

Tabla 1.7. Cantidades msicas en la combustin estequiomtrica del metano.

Esta cantidad de aire se denomina aire mnimo o estequiomtrico. En condiciones reales, para conseguir una combustin completa y sin inquemados, se debe introducir una cantidad mayor de oxgeno que la estequiomtricamente necesaria con el fin de asegurar una buena mezcla entre combustible y comburente.Si se precisa un 50% de exceso de aire, la masa en juego ser la que se muestra en la tabla 1.8. CH4+AireCO2+H2O+N2+Aire en exceso

1 Kg26,09 Kg2,75 Kg2,25 Kg22,09 Kg

Tabla 1.8. Cantidades msicas con exceso de aire.

1.5.2. El exceso de airePara garantizar una adecuada mezcla de oxgeno y combustible, en la prctica se trabaja con una cantidad de aire superior a la mnima terica. Una forma de medir la cantidad de aire que se aade de ms (exceso de aire), se define como: EXCESO DE AIRE = AIRE REAL - AIRE MNIMO TERICO Aunque tambin se suele emplear el coeficiente exceso de aire: 1.5.2.1. Consecuencias de trabajar con exceso de aire.La mayora, por no decir la totalidad de los hornos cermicos trabajan con exceso de aire. No obstante, ello conlleva las siguientes consecuencias: 1. Disminucin de la temperatura de llama. El aumento del exceso de aire implica una disminucin de la temperatura de llama. Debido a que en los hornos la transmisin de calor en el hogar se realiza principalmente por radiacin, y sta es funcin de la cuarta potencia de la temperatura, el calor radiado disminuye en una proporcin mucho ms importante. 2. Aumento de las prdidas por chimenea.Al trabajar con mayores excesos de aire, aumenta la cantidad de calor que escapa al exterior del horno con los gases de combustin. Adems, al tener que manejar mayores volmenes de aire y gases, aumentar el consumo de energa elctrica absorbida en los ventiladores para su vehiculacin.

1.5.3. Determinacin del aire preciso para la combustinEl tcnico, cuando decide usar un determinado combustible, se pregunta cul ha de ser la cantidad de aire necesario para oxidarlo correctamente. Para ello, existen numerosos bacos de uso prctico como el reseado en la figura 1.7.

Figura 1.7: Diagrama de clculo del aire de combustin Estos diagramas son tiles para calcular de una forma rpida el aire preciso para la combustin y/o los gases producto de la reaccin para un combustible determinado. En el eje de abscisas se muestra el PCI del combustible, correspondiendo el haz de rectas a los diversos excesos de aire. Por ejemplo, a partir del PCI de un combustible slido (5.300 kcal/kg en la figura) y levantando una vertical hasta la recta de aire mnimo, se obtiene, en la escala de la izquierda, el aire mnimo preciso para este combustible (Am = 6,0 Nm3/kg). Para conocer el aire real, habr que multiplicar este valor por el coeficiente de exceso de aire (en el ejemplo n = 1,6), luego el aire real de combustin ser: Ar=Am. n=6,0 . 1,6=9,6 Nm3/kg Para obtener el volumen de gases aproximado de combustin, se prolongar la vertical hasta alcanzar la lnea de exceso de aire (n = 1,6 en el ejemplo) y se leer directamente en el eje de ordenadas: Vh = 10,3 Nm3 / kg.

1.5.4. El diagrama de combustinA partir de cada combustible se construye el diagrama de combustin, que representa todas las posibilidades de combustin del citado combustible. Resulta una herramienta muy interesante para conocer el funcionamiento y desarrollo de la combustin o, en trminos ceramistas, la atmsfera en el interior del horno. La figura 1.8 muestra el diagrama que reproduce la combustin de un coque con la siguiente composicin: C 94,2%, H 0,9%, O 3%, N 0,8% y S 1,1%.

Figura 1.8: Diagrama de combustin de un slido. Tal y como se observa, el eje de ordenadas indica la cantidad de CO2. A este respecto, los gases de combustin pueden tener un mximo de CO2 proporcionado por la siguiente frmula: ?El eje de abscisas indica la cantidad de O2 que permanece en los gases de combustin. As, en el caso de la combustin estequiomtrica (punto E), la cantidad de CO2 es la mxima, no existe oxgeno libre y la temperatura alcanzada es tambin la mayor. A partir de la ecuacin anterior, se deduce que la cantidad mxima de CO2 es del 20,7%. Lgicamente, este valor ser tanto ms grande cuanto mayor sea la cantidad de carbono del combustible. En el otro extremo, el punto G (20,7% de O2) supone una combustin con dilucin de aire infinita (aire ambiente). Uniendo el punto E con el G por la "lnea de combustin completa", se define el tringulo de combustin, que proporciona todas las posibilidades existentes. Cualquier combustin situada sobre esta lnea es completa (sin inquemados), pero con exceso de aire. Toda combustin por debajo de esta lnea ser incompleta, es decir, con presencia de inquemados. Otro punto singular a determinar es el contenido mximo de oxgeno en los gases de combustin, o punto F. Si sta es estequiomtrica, la cantidad de oxgeno preciso en volumen ser:

El ltimo quebrado de la ecuacin se sustituira por H/4 si el combustible no tuviese oxgeno. Ahora bien, cuando no hay exceso de aire y todo el carbono se oxida a CO, la cantidad mxima de O'2 en los gases ser:

Para el ejemplo anterior, O'2 = 9,64%. De hecho, esto se produce en la realidad utilizando aire estequiomtrico y debido, bsicamente, a problemas de mezcla defectuosa que generan inquemados. La recta AG que une ambos puntos define las combustiones completas con exceso de aire. Toda combustin por debajo de la recta AE tiene inquemados cuyo valor puede leerse en las isolneas paralelas a la recta de combustin completa. La lnea EF representa la sucesin de combustiones incompletas con aire estequiomtrico. Esta lnea divide el diagrama en dos grandes reas: la combustin con exceso de aire (llamada incineracin si el combustible es slido o lquido), o sea todas aquellas combustiones que se realizan con exceso de aire, y las gasificaciones, o aquellas combustiones que se realizan con defecto de aire. La tabla 1.9 reproduce los parmetros de combustin ms sobresalientes de los puntos A (combustin completa con exceso de aire), B (combustin incompleta con exceso de aire) y C (combustin incompleta con defecto de aire). ABC

O210%5%---

CO210,7%14%13%

CO03%9%

E.A.93%20%---

D.A.------10%

Tabla 1.9. Cantidades de gases segn el diagrama de combustin.

Un punto situado en la zona de gasificacin, como el C, en la prctica se consigue a base de trabajar con un defecto de aire "1-n". As, si la lnea de coeficiente de aire es n = 0.9, corresponde a un defecto de aire DA = 1-0,9 = 0,1 (un 10% del aire estequiomtrico). Los gasificadores industriales suelen trabajar con un defecto de aire del 30%. En las combustiones que tienen lugar en los hornos industriales son normales situaciones como la A, o sea puntos situados en la lnea de combustin completa. Con frecuencia, cuando se altera la relacin combustible/comburente, normalmente para corregir la temperatura, la posicin correspondiente al punto A en lugar de desplazarse por encima de esta recta se sita de manera indeseada o desconocida en un escenario como el B. En este caso, se generan inquemados que, aunque exista exceso de aire, son difciles de corregir puesto que con la temperatura generada por la reaccin se favorece la formacin de CO. El diagrama de la figura 1.9 se refiere a los gases combustibles generados por un fuelleo n2 con un poder calorfico de 10,47 Mcal/Nm3. El eje de ordenadas de la derecha muestra el porcentaje de CO2. Una vez conocido este valor, es posible calcular las cantidades de inquemados haciendo uso de la escala de ordenadas de la izquierda.

Figura 1.9: Diagrama de combustin de un combustible lquido. En buena medida, el eje de ordenadas es tambin un eje de temperaturas. As, la mxima concentracin de CO2, punto de la reaccin estequiomtrica, tambin corresponde al de mxima temperatura, mientras que el punto G supone la temperatura ambiente. El uso de los diagramas de combustin resulta muy til para conocer el funcionamiento de las cmaras de combustin, o bien el comportamiento de los quemadores a medida que vara la relacin combustible/comburente.

1.5.5. El aire de combustin y el consumo de energa.Se puede disminuir el consumo de energa asociado a este concepto preservando los siguientes puntos: - Utilizar la cantidad mnima posible de aire, que se determinar en funcin del modelo de quemador instalado y del tipo de horno, con el objeto de minimizar las prdidas de calor por gases, sin que aparezcan inquemados. - Una vez optimizada la cantidad de aire a emplear, debe controlarse y regularse continuamente para evitar que en el transcurso de la explotacin se produzcan desviaciones respecto al valor fijado.- Precalentar el aire que se introduce en el generador mediante un intercambio de calor con los gases de combustin. Al realizar esto, se observan dos consecuencias positivas:- Aumento de la temperatura de llama, con lo que aumentar la cantidad de calor radiado para la misma cantidad de combustible quemado.- Al disminuir la temperatura de los gases que se envan a la atmsfera como consecuencia de que stos han cedido calor para precalentar el aire, se reducen las prdidas de calor por gases.- Finalmente, puede sustituirse parte del aire de combustin por oxgeno comercial. Esta medida se denomina comnmente como combustin con aire enriquecido. Al trabajar con este tipo de aire, aumenta la energa disponible por unidad de volumen de aire y, como efecto adicional, se produce un incremento de la velocidad de la llama y se amplan los lmites de la combustin, estabilizndose as notablemente la reaccin.

1.6. La cintica de la combustinEl ceramista suele prestar atencin a la combustin por dos motivos principales: - El consumo energtico, que suele ir asociado a los grandes excesos de aire. - La calidad de los materiales fabricados. Una atmsfera reductora conlleva reacciones prematuras, contracciones indeseadas y defectos en los esmaltes. Por ello, es conveniente conocer el comportamiento de la combustin desde el punto de vista de la cintica de las reacciones. 1.6.1. Cintica de las reacciones.Los mecanismos que tienen lugar durante la combustin son complejos, con formacin de compuestos intermedios antes de alcanzarse una oxidacin total. Sin embargo, numerosos autores han sugerido un modelo cintico de combustin, respondiendo a un sistema simplificado de primer orden:

resolviendo la ecuacin diferencial, se obtiene: C/Co = exp (-k . t) donde: A = factor especfico de cada compuesto (s-1). E = energa de activacin de cada compuesto (cal/mol).R = Constante de los gases (1,978 cal/mol K).T = temperatura (absoluta). C = concentracin final al tiempo t.Co = concentracin inicial.t = tiempo de residencia. La trasposicin prctica de esta ecuacin tiene enorme trascendencia para el ceramista, puesto que relaciona el tiempo (denominado tiempo de residencia), con la temperatura y la posibilidad de generar inquemados. Es interesante el siguiente ejemplo: Un quemador quema metano a 900 C. Averiguar el tiempo de residencia preciso para conseguir una destruccin del 99,9%. Datos: - A = 1,681011 s-1 - E = 52.100 cal/mol De los datos, se deduce K = 29,7 s-1. Si la destruccin exigida es del 99,9%, significa que si la concentracin inicial es 1 (Co=1), la concentracin final ser de 0,001. Aplicando la segunda expresin: T = 1/K ln Co/C = 0,23 s. O sea, se precisan 0,23 segundos de tiempo de residencia (que con frecuencia no se da en los hornos), para que permanezca un 0,1% de metano, o lo que es lo mismo 1.000 ppm de metano. Esta cantidad es muy elevada y puede dar origen a problemas de atmsferas reductoras locales.

1.7. Anlisis de los gases de combustinLa calidad y cantidad de los gases producto de la combustin recibe el nombre de anlisis de gases. El anlisis de gases producto de la combustin es una prctica habitual hoy en da. En la mayor parte de los casos, se realiza para controlar los parmetros de combustin. As se controlan el monxido de carbono y el oxgeno. Sin embargo, en otros casos, se persigue la presencia de inquemados (CO y H2) para evitar una atmsfera oxidante y reducir la valencia de un xido con el consiguiente cambio de color (caso del Fe3O2 a FeO). En los hornos para la coccin de cermica es muy importante controlar la calidad de la atmsfera. Sabido es que la presencia incontrolada de gases inquemados, principalmente CO y H2, de fuerte carcter reductor, pueden ejercer una accin funesta sobre el desarrollo del cuerpo cermico. Los gases reductores tienen un gran poder de penetracin y desencadenan reacciones que conducen a la formacin prematura de fase amorfa, vidrio, que suele provocar una deformacin anormal de la pieza, o bien una alteracin en el color del esmalte. El grfico de la figura 1.10 ilustra las diversas posibilidades de combustin de un gas natural de composicin: 83% de CH4 y 16% de C2H6, originadas por la variacin de la relacin combustible-comburente y su dependencia con los gases formados. El eje de ordenadas indica la composicin de los gases producto de la combustin en porcentaje sobre el volumen de gases secos. En abscisas, se indican los valores de los excesos o defectos de aire en porcentaje sobre el estequiomtrico (100%), mientras que en la lnea inferior se expone el correspondiente ratio equivalente (estequiomtrico = 1).

Figura 1.10: Diagrama de combustin del gas natural. En la figura, las lneas a puntos representan los valores tericos de anlisis de gases para defectos muy importantes de aire. Las lneas a trazo continuo indican la tendencia de los componentes para combustiones con excesos de aire.

1.7.1. Eficacia de la combustin.La qumica elemental ensea que cuando se oxida un combustible gaseoso con exceso de aire, por ejemplo, el gas natural, los productos de la combustin resultantes son, exclusivamente, CO2 y H2O. La realidad demuestra que eso es verdad en una minora de los casos, de ah la necesidad de introducir el concepto de eficacia de la combustin. Adems, la presencia de gases inquemados, generados en la inmensa mayora de las reacciones, tienen efectos directos en la calidad de los productos cermicos. Por ejemplo, el CO y el H2, son gases reductores y afectan al desarrollo de las reacciones cermicas. Muchas legislaciones fijan el valor mximo de CO en las emisiones. Ello supone que conociendo el tipo de combustible, del cul depende la cantidad de CO2, queda fijada la eficacia de la combustin que debe lograrse. Como que los lmites de emisin hacen referencia a las partes de CO por m3 de gas, para poder llegar a tales cifras muchos sistemas de conversin energtica se ven obligados a usar grandes excesos de aire. Se define la eficacia de la combustin (CE) como el resultado de:

La figura 1.11 reproduce la cantidad de CO en funcin de la eficacia de la combustin (CE) y el porcentaje de CO2 en los gases de emisin.

Figura 1.11: Evolucin de la eficacia de la combustin en funcin del CO2. En los procesos industriales, es difcil conseguir una combustin completa o sin la presencia de inquemados. Durante el proceso de combustin se presentan oscilaciones de la temperatura que es preciso corregir de una manera constante. Esta correccin suele llevarse a cabo por medio de la cantidad de aire. Cuando la masa de comburente vara, la hidrodinmica de la mezcla se altera y las probabilidades de que aparezcan inquemados, aunque sea de forma instantnea, es muy grande. De hecho, esta contingencia ya la prev el diagrama de combustin, donde la posibilidad de tener inquemados es muy elevada. A este respecto, los inquemados ms habituales que aparecen producto de las reacciones son el monxido de carbono (CO) y lo xidos de nitrgeno (NOx). 1.7.1.1. El monxido de carbono (CO)Se trata de un gas venenoso, cuya ecuacin de formacin:

indica, suponiendo que la mezcla sea correcta, que: Cuanto ms carbono este presente en el combustible, mayor potencial de formacin de CO. La produccin de CO disminuye con el incremento del exceso de aire. La produccin de CO aumenta con el incremento de la temperatura.Si bien desde el punto de vista tcnico una CE=99%, es un buen resultado, transponiendo este valor a la ecuacin anterior resulta que para un 9% de CO2 corresponde un 0,0909% de CO, o sea 909 ppm de CO, valor inaceptable desde la ptica cermica y, tambin, medioambiental. En efecto, tngase en cuenta que la oxidacin del CO a CO2 a alta temperatura, se desplaza hacia la formacin de CO con independencia de la presencia de oxgeno. Esto significa que, una vez generado el CO, va a permanecer en la atmsfera del horno a elevada temperatura que es, precisamente, donde tienen lugar las reacciones tpicas de la cermica. La figura 1.12 indica la evolucin del CO en funcin de la cantidad de CO2, para una eficacia de la combustin del 99%. Ntese que la relacin entre la cantidad de CO y CO2 es lineal para un CE constante y, por consiguiente, cuando aumenta o disminuye la cantidad de CO2, tambin aumenta o disminuye linealmente la cantidad de CO.

Figura 1.12: Evolucin del CO en funcin de la cantidad de CO2, para una eficacia de la combustin del 99%. De la relacin anterior se deduce, as mismo, que para mantener constante la cantidad de CO hace falta aumentar la cantidad de CO2 y el coeficiente de eficacia. Por otra parte, para tener constante la cantidad de CO2 es necesario aumentar el coeficiente de eficacia y disminuir la cantidad de CO. La transposicin industrial de todo ello pasa por la preparacin del combustible y el sistema de combustin.

1.7.1.2. Los xidos de nitrgeno (NOX)Los xidos de nitrgeno se generan en la combustin a partir del nitrgeno del aire (NOX de origen trmico); no obstante, tambin hay una parte procedente del nitrgeno contenido en el combustible, si bien en las materias primas cermicas esto no es frecuente. La figura 1.13 muestra que la destruccin o generacin, depende del exceso de aire y de la temperatura de combustin segn la siguiente ley: - A mayor exceso de aire, mayor presencia de N2. - A mayor temperatura, mayor formacin de NOX.

Figura 1.13: Generacin de NOX.

1.7.1.3. Los productos de la combustin.Avanzando un poco ms en el fenmeno de la combustin, hay que hacer notar que siempre se habla del porcentaje de CO2 mximo. Tal y como se ver ms adelante, hay una interaccin directa entre exceso de aire (el exceso cero corresponde a la combustin estequiomtrica) y la cantidad de CO2. As, a mayor exceso de aire, ms O2, y la cantidad de CO2 disminuye. Ello puede inducir a una errnea conclusin que hay que aclarar de inmediato: 1. La quema de una de determinada cantidad de materia carbonosa producir siempre la misma cantidad de CO2, con independencia del exceso de aire. 2. A medida que se aumenta el exceso de aire, y por tanto la cantidad de O2, es obvio que las posibilidades de reaccin son ms grandes. Pero ello slo ser cierto si se cumplen toda una serie de requisitos que ms adelante se estudiar. Con mucha frecuencia un gran exceso de aire produce gran cantidad de gases inquemados debido a problemas de mezcla. 3. Lo que es incuestionable es que, al incrementar la aportacin de O2 la cantidad de N2 se aumenta cuatro veces ms (la proporcin de N2 en el aire es del 78%) y por tanto la masa a calentar ser mucho mayor. La consecuencia es inmediata: se precisar ms calor y el combustible va a producir ms CO2 (slo para aumentar la temperatura de la masa de aire excedentaria). As pues, la mnima cantidad de CO2 se producir, paradjicamente, cuando la cantidad de CO2 en los humos de combustin sea mxima, ya que el exceso de aire es mnimo y el ahorro de combustible es mximo.

Captulo 2.- Los combustibles.

2.1. Definicin de combustible.De un modo amplio y general, se denominan combustibles aquellos cuerpos que arden, es decir, que se combinan con el oxgeno, reservndose para ste (o el aire) el nombre de comburente. Sin embargo, actualmente, y desde un punto de vista ms riguroso y ms cientfico, los conceptos de combustin, combustible y comburente abarcan un campo ms amplio; por ejemplo, la variada y no bien conocida serie de combustibles slidos y lquidos especiales empleados en astronutica. En la industria qumica inorgnica, la reaccin entre el cloro y el hidrgeno gaseosos para formar cido clorhdrico, es una reaccin que tiene lugar con gran desprendimiento de calor, alta temperatura y formacin de llama, tratndose por tanto de una combustin, lo cual no quiere decir que se considere como tal tcnicamente, porque actualmente tales combustiones resultaran inaceptables por anti-econmicas, y por producir gases (ClH) inadmisibles para su emisin a la atmsfera. Tambin se habla de los "combustibles nucleares", simplemente porque son sustancias capaces de generar gran cantidad de calor y, en tal sentido, se emplean, aunque disten mucho de parecerse a los combustibles clsicos. Al ser la llama un gas incandescente, ardern siempre con llama los combustibles gaseosos. En cuanto a los lquidos, stos se volatilizarn debido al calor y a la elevada temperatura de la combustin, inflamndose y ardiendo como los gases. En referencia a los combustibles slidos, ardern con llama aquellos que produzcan por descomposicin (destilacin seca) suficientes compuestos voltiles, como sucede con las hullas grasas, la madera, etc. En cambio, el coque arde prcticamente sin llama, debido a la casi total ausencia de compuestos voltiles.

2.2. Transformaciones del combustibleCon el fin que tenga lugar la combustin, se requiere que el combustible est a una determinada temperatura y, a ser posible, en estado gaseoso. Para conseguir la combustin en los casos en que sta no es espontnea se requiere aportar calor. Por lo general, los gases calientes producto de la combustin ceden parte de su calor sensible para que el combustible, y comburente, absorban calor y eleven su temperatura.

2.2.1. El calor sensible.El calor sensible es el calor absorbido (o cedido) por una sustancia para elevar (o disminuir) su temperatura, siempre y cuando en el transcurso del calentamiento (o enfriamiento) no se hayan producido ni cambios de estado ni reacciones qumicas. El calor sensible se puede determinar a travs de la frmula: Qs = m Cpm DT donde: Qs = calor sensible. m = masa de la sustancia. Cpm = calor especfico medio entre la temperatura inicial y la final.DT = diferencia entre la temperatura inicial y la final. El calor sensible influye en los siguientes papeles del cambio de estado: - Hace posible el cambio de estado en aquellos casos en que ste se produce a una temperatura fija. - Controla las condiciones y la cuanta en la que el cambio de estado se produce. Por ejemplo, en la vaporizacin, conjuntamente con la presin, fija el grado de vaporizacin. El calor sensible influye tambin en dos aspectos muy importantes de las reacciones qumicas: - Aporta energa de activacin, necesaria para que se inicien las reacciones. De hecho, para que se inicien toda clase de reacciones cermicas es preciso alcanzar un determinado nivel trmico. - Controla muy directamente la cintica de las reacciones. Un ejemplo de la recuperacin del calor sensible contenido en los gases de combustin se presenta en los hornos de proceso continuo de la figura 2.1. En los hornos tneles cermicos, la zona de enfriamiento viene a representar entre 1/3 y las 2/5 partes de la longitud total del tnel. La recuperacin del calor sensible se efecta en este caso mediante aire que circula en contracorriente con las piezas ya cocidas. El aire as calentado se destina a dos fines, como aire secundario de combustin y como aire caliente que se emplea en los secadores.

Figura 2.1: Horno tnel.

2.2.2. El calor latenteEl calor latente es el calor absorbido (o cedido) por una sustancia cuando se produce un cambio de estado en la misma. Bajo la denominacin de cambio de estado se entienden diferentes conceptos: - Vaporizacin (paso de lquido a vapor, total o parcial). En los hornos cermicos esto tiene lugar cuando se evapora el agua residual procedente del secado incompleto. - Fusin (paso de slido a lquido). Es un proceso tpico de los esmaltes. Desde el punto de vista energtico no tiene ninguna relevancia.- Sublimacin (paso de slido a vapor o gas). Muy raramente se da en el campo cermico.- Transformaciones cristalinas. Como la que tiene lugar en el cambio alotrpico del cuarzo a a b a cierta temperatura.- Descomposicin de carbonatos y sulfatos. Se puede determinar el calor latente a partir de la frmula: QL = m cL donde: QL = calor latente. m = masa de la sustancia. cL = calor unitario asociado al cambio de estado. En determinados casos, el clculo del calor latente asociado al cambio de estado se complica puesto que adems de determinar cL, que es funcin de la temperatura, presin, etc., hay que determinar la composicin y cantidad de sustancia que cambia de estado. Los calores latentes de cambio de estado tambin presentan la caracterstica de ser reversibles en gran medida. Es decir, en determinados procesos tambin se puede recuperar la energa aportada para el cambio de estado. Habitualmente estos procesos se realizan mediante intercambio de calor con la propia carga alimentada al horno o en otros puntos del proceso.

2.2.3. El calor de reaccin.El calor de reaccin mide las variaciones de contenido energtico de los productos que reaccionan y la de los resultantes de la reaccin. Estas variaciones, segn sean positivas o negativas, dividen las reacciones en dos tipos: - Reacciones endotrmicas: En ellas, el contenido energtico de los productos resultantes de la reaccin es superior a la de los productos que reaccionan y, por tanto, requieren una aportacin de energa exterior al sistema que no puede recuperarse. Un caso tpico es la descomposicin del retculo cristalino del mineral de arcilla con desprendimiento de agua que, a este nivel de temperatura (unos 600 C), forma vapor instantneamente.- Reacciones exotrmicas:El contenido energtico de los productos que reaccionan supera al de los productos resultantes de la reaccin, liberndose una cantidad de energa en el transcurso de la reaccin que puede aprovecharse. Un caso particular de estas reacciones lo constituye la combustin de la fraccin orgnica que contienen algunas arcillas.

2.3. El poder calorfico y la temperatura de llamaTal y como se ha mencionado con anterioridad, en trminos generales, reciben el nombre de combustibles aquellos cuerpos que al combinarse con el oxgeno desprenden calor. La calidad de un combustible viene dada, ms que por la mayor facilidad o dificultad en arder, por la cantidad de energa que contiene y puede liberar cuando se somete a un proceso de conversin energtico. Esta cantidad de calor referida a la unidad de masa, en el caso de los combustibles gaseosos, se suele referir a la unidad de volumen, y se denomina poder o potencia calorfica. El poder calorfico de un combustible es la cantidad de energa (kcal) que produce la combustin de 1 kg del mismo. El poder calorfico superior (PCS) es el calor que desprende 1 kg de combustible completamente seco, contando con el calor latente de vaporizacin del agua formada por la combustin del hidrgeno (si lo hay). En los procesos industriales no se aprovecha el calor de condensacin del vapor, puesto que los gases se evacan a una temperatura superior a la del punto de roco. De ah que en la prctica se use el poder calorfico inferior (PCI). Obviamente, en los combustibles exentos de hidrgeno el PCS y el PCI coinciden. Si el combustible esta hmedo (h porcentaje de agua) interviene el concepto de poder calorfico inferior til (PCIu) que, aproximadamente, vale: (PCIu) = (PCI) (1-h) - 600 (h)

Adems de tener un determinado PCI, el combustible debe presentar un elevado estado de subdivisin, con el fin de que la superficie especfica sea la mayor posible.

2.3.1. Combustibles slidos.Existen un sinfn de expresiones experimentales que determinan el PCI a partir del anlisis elemental, y se basan en que el calor desprendido por un combustible es igual a la suma de los calores generados por los elementos elementales que lo componen, restando el posible hidrgeno consumido por el oxgeno. Una expresin que proporciona un PCI con notable aproximacin es:

2.3.2. Combustibles lquidos.Partiendo del anlisis elemental de un combustible lquido derivado del petrleo, se puede calcular el poder calorfico inferior por medio de la frmula: PCI = 12.125 - 292 (C/H) - 7.000 (S) donde (C/H) es la relacin ponderal del carbono a hidrgeno y (S) es el contenido en azufre en tanto por uno. En estos combustibles, la densidad es una funcin de esta relacin: d = 0,25 + 0,0913 (C/H) (g/cm3) luego la relacin anterior se puede escribir como: PCI = 12.925 - 3.198 d - 7.000 (S) Para los combustibles lquidos ms habituales, estos valores son los mostrados en la tabla 2.1. COMBUSTIBLEPCS (kcal/kg)PCI (kcal/kg)

Gasoil10.300

Fuel-oil n 110.2009.700

Fuel-oil n 210.0009.500

Tabla 2.1. Poder calorfico de combustibles lquidos.

2.3.3. Combustibles gaseososEn el caso de los combustibles gaseosos, el poder calorfico suele expresarse en unidades de volumen, tal y como indica la tabla 2.2. GAS COMBUSTIBLEFOR.PM (g/mol)l/g (*)kg/m3kcal/kg (PCS)kcal/m3

HidrgenoH211,20,089333.9103.027

MetanoCH4161,400,71413.2809.485

EtanoC2H6300,751,33312.41016.546

PropanoC3H8440,5091,96412.04023.650

ButanoC4H10580,3862,58911.84030.657

Gas natural (tipo)1--1,300,7713.14910.125

Monxido carbonoCO280,801,2502.4143.017

1 El gas natural es una mezcla de gases combustibles, por lo que no debera aparecer en esta tabla. Sin embargo, se ha puesto por motivos didcticos. (*) Se obtiene dividiendo 22,4 l/mol por el peso molecular g/mol.

Tabla 2.2. Poder calorfico de los combustibles gaseosos.

La temperatura terica (aproximada) de llama viene definida por la frmula siguiente:

donde (n) es el coeficiente de exceso de aire. El aumento del exceso de aire (n) implica una disminucin de la temperatura de llama. En la prctica industrial, el clculo de la temperatura de llama no tiene sentido, ya que lo que realmente interesa es que la llama irradie a las paredes, bveda y a la propia carga o combustible. El factor que realmente afecta a la temperatura real de llama es el exceso de aire. Como se ilustra en la figura 2.2, se puede obtener, en teora, la misma temperatura de combustin con independencia del poder calorfico. O dicho de otra manera: no existe, a priori, una relacin entre la temperatura de llama y el PCI. Otro problema ser el exceso de aire que sea preciso para llevar a cabo el proceso segn la naturaleza del combustible y, sobre todo, el tipo de instalacin usada. As, un mismo combustible que sea quemado en un horno convencional de parrillas precisar mucho ms aire que cuando el mismo tratamiento se lleve a cabo en un horno de lecho fluidizado.

Figura 2.2: PCS y temperatura de llama. La tabla 2.3 muestra los valores de los poderes calorficos de combustibles habituales en la industria cermica. COMBUSTIBLEPCS (kcal/kg)PCI (kcal/kg)PCS (kcal/Nm3)PCI (kcal/Nm3)

Hulla grasa7.3007.100

Antracita7.3007.045

Lignito5.1004.820

Carbn de madera8.0507.910

Fuel-oil ligero10.3009.695

Gasleo10.83510.130

Madera4.4504.130

Paja (forraje)3.100

Turba4.7504.520

COMBUSTIBLEPCS (kcal/kg)PCI (kcal/kg)PCS (kcal/Nm3)PCI (kcal/Nm3)

Bagazo (hmedo)2.500

Cscara de cacahuete4.250

Aserrn3.5003.120

Papel4.300

Trapos y algodn3.600

Residuos slidos urbanos (Espaa)1.800

Gas natural (tipo)12.73811.05610.7009.665

Gas de alto horno752737970950

Gas de gasgeno1.3901.3051.5301.435

Gas de hulla--5.1174.539

Gas de refinera12.48011.44219.34517.735

Propano puro12.09011.13024.30022.370

Butano puro12.15811.23031.61029.200

Butano industrial12.14811.22031.10028.725

Acetileno11.95511.54714.06013.580

Hidrgeno34.20028.8003.0502.570

Tabla 2.3. Poderes calorficos de algunos combustibles.

El poder calorfico es la propiedad fundamental de los combustibles. Precisamente, dicha propiedad permite expresar las cantidades de energa en unidades equivalentes de combustible. A este respecto, la tabla 2.4 muestra una relacin de distintas unidades energticas, expresando su equivalencia en julios. SMBOLOUNIDADFACTOR DE CONVERSIN kJ

tepTonelada equivalente de petrleo4,4107

m3 de petrleoMetro cbico de petrleo 3,7107

tecTonelada equivalente de carbn 2,9107

bblBarril equivalente de petrleo 5,9106

tetTonelada equivalente de trilita 4,2106

therm100.000 BTU 1,055105

m3 g. n.Metro cbico equivalente de gas natural 3,7104

termia1.000 kcal 4,187103

kWhKilowattio-hora 3,6103

HP-hCaballo de vapor-hora 2,648103

cfPie cbico equivalente de gas natural 1,05103

MJMegajulio 1,00103

kcalKilocalora 4'187

BTUBritish thermal unit 1'055

Tabla 2.4. Unidades energticas habituales y su equivalencia en kilojulios (kJ).

2.4. Anlisis elemental e inmediato de un combustible.

2.4.1. El anlisis elemental.El anlisis elemental trata de determinar el contenido de elementos simples de un combustible, pero solamente aquellos que se gasificarn y/o supondrn un aporte calorfico en las reacciones de combustin. As, para los combustibles, el anlisis elemental incluye el porcentaje en peso de C, H, S, N, cenizas, humedad (prdida de peso a 105 C, para combustibles slidos) y agua combinada (equivalencia de oxgeno). Asimismo, se deben analizar otros elementos que puedan influir en el proceso de combustin o puedan representar problemticos en cuanto a las emisiones (como los metales). El carbono puede proceder tanto de las materias orgnicas como de los carbonatos minerales presentes. A este respecto, el carbono fijo es el que no destila cuando se calienta un combustible. El azufre puede proceder de los compuestos sulfurados orgnicos, la pirita o marcasita y de sulfatos inorgnicos. Da lugar a escorias perjudiciales y forma xidos muy contaminantes. El nitrgeno no aporta energa alguna. Si la cantidad es importante y la temperatura de proceso elevada, contribuye a la formacin de NOX de origen trmico. La cantidad de oxgeno presente en los combustible reduce el poder calorfico, sin embargo, contribuye a reducir las necesidades de aire de combustin. A partir de este anlisis existen diversas frmulas, como la de Dulong, que permiten aproximarse al PCI. La frmula se basa en que el calor generado por el combustible es igual a la suma de los calores desprendidos por los elementos combustibles simples que lo componen, restando el posible hidrgeno consumido por el oxgeno (tambin posible) del propio combustible, para formar agua.

2.4.2. Anlisis inmediatoEl anlisis inmediato determina parmetros que afectan tanto a la combustin como a la pirlisis: - La humedad (calentamiento hasta 105 C). - El contenido en voltiles (calentamiento durante 7 minutos a 950 C). - El residuo que permanece a esta temperatura constituyen las cenizas. - El carbono fijo. El agua se halla siempre presente en los combustibles, en particular cuando se trata de combustibles de naturaleza residual. Es conveniente distinguir entre las diversas clases de agua: el agua superficial o de imbibicin se elimina fcilmente con un secado a 105 C. En algunos combustibles, como el carbn, existe un agua contenida en los poros que no se evapora a esta temperatura y para eliminarla se debe calentar en atmsfera de nitrgeno hasta 200 C para evitar la combustin. Se debe considerar una tercera calidad de agua, la de constitucin que forma parte de las estructuras cristalinas de los diferentes elementos que forman parte de los combustibles, cuya temperatura de eliminacin depende de la naturaleza de cada componente. Las materias voltiles estn constituidas por combinaciones de carbono, hidrgeno y otros elementos. El contenido en voltiles da una idea de la longitud de la llama, en el caso de que el destino del combustible sea la incineracin. Desde el punto de vista del poder calorfico es preciso saber que no todos los voltiles aportan energa. La ceniza esta constituida, esencialmente, por los restos de la roca madre en la que se halla el combustible o, en el caso de los combustibles alternativos, los materiales inertes que contiene. Las cenizas reducen el poder calorfico y su extraccin siempre resulta costosa y complicada. Se designa como carbono fijo la fraccin residual de carbono, descontadas las cenizas, pirolizado para obtener las materias voltiles. Se determina por diferencia segn: Carbono fijo = 100 - Humedad - Materias voltiles - Cenizas Para un combustible constituido por maderas procedentes de derribo, los datos de partida seran las indicadas en la tabla 2.5. A. INMEDIATOA. ELEMENTAL (b.h.)A. ELEMENTAL (b.s.)

Humedad 4,75% --

C. fijo 17,41% --

Voltiles 74,84% --

Cenizas 3,0% --

-C 45,58% C 49,41%

-H 5,89% H 6,38%

-N 2,22% N 2,40%

-S 0,0 S 0,0

-O 38,56% O 41,79%

-Humedad 4,75% -

-Cenizas 3,00% -

TOTAL 100,00% 100,00% 100,00%

Tabla 2.5. Anlisis inmediato y elemental de una madera.

El PCI de este combustible calculado de acuerdo con la expresin anterior resultara ser de 4.289 kcal/kg. Existen otras frmulas basadas en el porcentaje de voltiles, como la que determina la cantidad de voltiles a partir del anlisis elemental: % M.V. = 10,61 (%H) - 1,24 (%C) + 84,15 Sin embargo, hoy en da es mas prctico, y barato, determinar experimentalmente el PCI del combustible.

2.5. Naturaleza del combustible.En la ciencia cermica se usan todo tipo de combustible: slidos, lquidos y gaseosos. Es obvio que la combustin de cada uno de ellos comporta una problemtica particular que se ver relacionada con el tipo de material a cocer y con la clase de horno a utilizar. Hay que tener presente que todas las reacciones de combustin tienen lugar entre gases. As en el caso de los combustibles slidos y lquidos es preciso una previa vaporizacin, destilacin y gasificacin para que los voltiles generados se combinen con el oxgeno del aire.

2.5.1. Combustibles slidosLos fenmenos que caracterizan el proceso de la combustin de un combustible son mltiples y variados. En el caso de la combustin de un combustible slido, que es la ms compleja, basta con citar las principales etapas del proceso para comprender su magnitud: a) Mezcla del combustible con el comburente y su entrada en el hogar. Ello implica un determinado movimiento de cada partcula arrastrada por la fase gaseosa. En esta primera fase se debe completar la evaporacin de la humedad residual del combustible, segn: H2O (l) H2O (g)b) Volatilizacin, parcial o total, del combustible. La presencia de dos fases, una slida (combustible y cenizas) y otra gaseosa (comburente y gases) junto a la aerodinmica de los flujos complica el proceso que, en el caso del carbn es:Combustible (carbn) V (CnHmSpOq)Para que la volatilizacin se lleve a cabo de manera regular y homognea, el hogar debe disponer de una temperatura que asegure una continuidad del proceso. De ah que, en muchas ocasiones, la volatilizacin sea slo parcial. c) Combustin de los gases volatilizados (V) y de la materia carbonosa residual (coque). En cuanto a los voltiles, las fases homogneas son las ms importantes y las expresiones genricas son:CnHmSpOq + O2 x CO2 + y H2O + SO2CO + O2 CO2 + 5.640 kcal/kgEn cuanto al residuo carbonoso, la oxidacin se puede producir tanto a partir del CO2 como del oxgeno, segn: CO2 + C 2 CO O2 + C CO + 2.440 kcal/kg De este tipo son las reacciones que tienen lugar en las inmediaciones de las parrillas de los hornos. Cuando el combustible a quemar es un residuo que contiene determinados compuestos txicos se comprende que el problema se complica en gran manera pues en primer lugar debe garantizarse la completa volatilizacin de toda la materia orgnica, en segundo lugar ha de producirse una correcta combustin de la fase gaseosa y, a partir de este momento se deben garantizar la temperatura y el tiempo de residencia de los gases que exige el residuo en cuestin para garantizar una calidad de la destruccin trmica mnimo del 99,99%. La figura 2.3 muestra el tiempo necesario para la combustin de un coque en funcin de su distribucin granulomtrica.

Figura 2.3: Tiempo de combustin de un combustible slido.

2.5.1.1. Velocidad de combustin de los combustibles slidos.La figura 2.4 muestra la variacin de la velocidad de combustin de un carbn con la temperatura y con la velocidad del aire. Como se puede observar, la velocidad de combustin tiende a estabilizarse a altas temperaturas si la velocidad del aire es baja.

Figura 2.4: Velocidad de combustin de slidos. La figura 2.5 ilustra un esquema de mezcla de chorros de carbn con aire y gas de recirculacin, en una cmara de combustin de carbn pulverizado. El aire secundario se utiliza para completar la combustin de los gases de recirculacin, y la turbulencia se genera para favorecer el contacto entre combustible y comburente y facilitar la transmisin de calor.

AP= Aire primario; AS= Aire secundario; GR= Gas de recirculacin; F= Llama. Figura 2.5: Circulacin de chorros de carbn. Con todo lo comentado no es extrao observar, en la superficie de las piezas a la salida del horno, restos de partculas slidas sin quemar.

2.5.2. Combustibles lquidosPara combustionar correctamente los lquidos, hay que inyectarlos de manera que formen gotas diminutas, operacin que recibe el nombre de atomizacin. Ello, junto con el PCI, es quizs el factor ms decisivo para evaluar la efectividad de la combustin. Evidentemente, el primer paso es conseguir la atomizacin para lograr la evaporacin. sta depende, por orden de importancia, del tamao de la gota, de las caractersticas fisicoqumicas del producto y, finalmente, de la presin y temperatura reinante. Por ejemplo, para una gota de 0,5 mm de dimetro se precisan 0,76 s para su evaporacin, mientras que si el tamao es de 0,1 mm, el tiempo se reduce a 0,03 s, o sea, una disminucin de 5 veces el dimetro reduce el tiempo de evaporacin en 25 veces. En realidad, el tiempo de evaporacin, como ya se ha indicado, depende de la superficie. La expresin, aproximada, que liga el dimetro inicial de una gota, (D) con un dimetro final (d), en funcin de un ratio de evaporacin (S) que, en la prctica suele oscilar de 0,2 a 1,3 mm2/s, es:

Dada la significacin que para una correcta combustin tiene el tamao de gota, los fabricantes de equipos de combustin facilitan informacin de la distribucin granulomtrica posible del tamao de gota en funcin del tipo de lquido, as como de parmetros tan importantes de funcionamiento como la presin y la calidad de la atomizacin.

2.5.2.1. La atomizacin de los combustibles lquidosPara conseguir la correcta combustin de los combustibles lquidos, se debe procurar lograr el mximo estado de subdivisin o aumento de la superficie especfica. La figura 2.6 muestra el modelo de aumento de la superficie especfica en funcin del tamao de la gota de lquido.

Figura 2.6: Modelo de atomizacin de un combustible lquido. En estas circunstancias, cuando la temperatura del medio es la adecuada, se segrega la humedad, que es evaporada y, seguidamente, se inicia la volatilizacin. Como que esta propiedad depende de la superficie, se comprende que el fenmeno ser tanto ms homogneo cuanto mayor sea el estado de atomizacin. Esta etapa es imprescindible para la fase siguiente: la combustin. Las molculas tpicas de fuel-oil son: C11H23 y C12H26. sta ltima necesita 25 molculas de O2 para conseguir la combustin perfecta. La probabilidad de que una molcula de fuel-oil atrape a 25 de oxgeno, simultneamente con la temperatura de ignicin, es casi nula. De hecho, slo tropieza con una o dos. El calor reinante en el hogar consigue craquear las molculas de cadena larga y, a partir de molculas ms sencillas, la posibilidad de combinacin con el oxgeno aumenta considerablemente. La misin de los quemadores consiste en lograr muchas gotas y de pequeo tamao (pulverizacin) para que la superficie expuesta a la radiacin sea mxima.La variacin de la viscosidad del fuel-oil con la temperatura es importante para el transporte del combustible hacia los quemadores pero, si cabe, todava lo es ms para la correcta combustin. As, si se logra que se alcance la ebullicin a la entrada de la cmara de combustin, la eficacia de la combustin est casi asegurada.

2.5.2.2. Disolventes y residuos que contienen disolventesLos combustible residuales que se incluyen dentro de este grupo son generalmente muy diversos en cuanto a su aspecto y caractersticas. No obstante, la gama tpica de estos residuos se puede describir, o bien como un lquido sucio, o bien, a menudo cuando se trata por ejemplo de colas de destilacin o de disolventes sucios muy voltiles, como una pasta ms o menos fluida. Este tipo de residuos acostumbra a tener un cierto olor caracterstico a travs del cual se puede identificar el disolvente que est presente. Es importante tener en cuenta que la existencia del residuo en forma de un disolvente sucio o de una pasta slida impregnada, depende de la disponibilidad, en aumento en numerosas grandes industrias, de torres de destilacin, mediante las cuales se recupera buena parte del disolvente consumido. 2.5.2.3. Residuos lquidos aceitososLa caracterstica comn de todos los residuos de este grupo es precisamente su aspecto ms o menos aceitoso. Todo el resto de propiedades que puedan presentarse en un lquido aceitoso residual son consecuencia de factores tan heterogneos como la cantidad de agua presente, el tipo de contacto fsico existente entre la fase acuosa y la aceitosa (emulsin, mezcla, etc.), el grado de aditivos, impurezas y suciedad presentes de acuerdo con el uso aplicado, etc. Huelga decir que el uso como combustible de cualquiera de estos lquidos, en particular los aceites, obligar a una fase previa de ajuste en la viscosidad con el fin de que pueda ser introducido en un quemador convencional sin demasiados problemas.

2.5.3. Combustibles alternativos.En los pases industrializados, por la gran generacin de residuos, y en los pases en vas de desarrollo, por la precariedad en los sistemas de tratamiento de ciertos combustibles, es conveniente fomentar tecnologas que propicien el uso de combustibles alternativos con todas las garantas tcnicas y ambientales. Una de estas tecnologas es la gasificacin. Como dice la propia palabra, sta consiste en transformar en gas un combustible slido, que en buena ortodoxia no es nunca combustible. El quemar trozos de carbn o biomasa genera mala combustin, con los problemas cermicos que ello conlleva y una gran contaminacin. La gasificacin deviene como una tecnologa idnea para su aprovechamiento. La gasificacin es la oxidacin parcial de un combustible. Para ello, se requiere un poco de aire, del orden de un 30% del estequiomtrico. En esta tesitura, es obvio que se van a generar gran cantidad de gases inquemados, por tanto combustibles, que son precisamente los que se van a enviar (en forma de gas) al horno. El sistema que reproduce la figura 2.7 es un gasificador de biomasa, aserrn, para la produccin de energa elctrica. En cermica no es preciso seguir este esquema. A la salida del gasificador, los gases salen a unos 750 C, se deben enfriar algo y, directamente, pueden ser enviados hacia los quemadores.

Figura 2.7: Gasificador de biomasa. Este sistema permite el uso seguro, tanto cermico, como ambiental de combustibles residuales o alternativos como: - Biomasa. - Cascarilla de arroz. - Residuos slidos urbanos. - Fango de papelera, etc.

2.5.3.1. Combustibles alternativos en la pasta.El combustible, preferentemente residual, puede incorporarse a la pasta en cantidades que dependen de la caracterizacin del residuo y de las caractersticas que se desean obtener tras la coccin. El combustible desde el interior de la pasta aporta un notable poder calorfico que reduce de manera notable el consumo especifico del horno. La tecnologa proporciona unas ventajas claras: - Aporta un poder calorfico, lo que supone un ahorro de energa. - Genera porosidad en el interior del ladrillo, lo que lo hace aislante trmico y mas liviano. - Tambin incorpora la fraccin no orgnica del residuo, con lo que la tecnologa deviene como una alternativa al tratamiento de residuos. - A los ingresos procedentes del ahorro de energa debera aadirse los provenientes del tratamiento de residuos. - Algunos de los componentes del residuo actan como fundentes lo que permite reducir la temperatura de coccin y con ello reducir el consumo energtico.Sin embargo, su uso puede conllevar ciertos problemas: - La porosidad cerrada generada en la desaparicin del combustible torna la masa cermica en aislante con lo que se entorpece la transmisin del calor. O sea es mas complicado el llegar al final de la coccin. - Si no se toman las debidas precauciones se pueden liberar compuestos txicos a la atmsfera procedentes del combustible. - Aparicin de corazn negro. - Disminucin de la resistencia mecnica. - Esta tecnologa presenta problemas cuando se usan ciclos rpidos de coccin.

Captulo 3.- Factores exgenos. Si el captulo anterior hacia referencia a las caractersticas intrnsecas del combustible, en el presente se analizarn los parmetros ms propios del tipo de horno y del sistema de combustin.

3.1. La transferencia de calor.Con independencia del tipo de horno de que se trate el calentamiento de un material en general estriba en la transferencia de calor desde un universo caliente que lo conforman las paredes y bveda del horno hacia el producto a calentar. Se comprende que el problema de que el calor llegue homogneamente a una vagoneta densamente encaada, como la representada en la figura 3.1 es un serio problema, puesto que el propio material hace de barrera trmica a la radiacin.

Figura 3.1: Vagoneta densamente encaada. Por el contrario la transferencia de calor a un tipo de material de encae "esponjoso" como la vagoneta de material sanitario reproducida en la figura 3.2, va a facilitar el proceso.

Figura 3.2: Vagoneta encaada de baja densidad de carga. As pues, y tal como esquematiza la figura 3.3, los intercambios trmicos en el horno pueden sistematizarse como: - Por una parte la llama y los productos de la combustin transmiten una cierta energa calorfica al producto a calentar y a las paredes del horno. Esta transmisin tiene lugar principalmente por conveccin y radiacin. - Por otra parte, las paredes llevadas generalmente a una temperatura superior a la del producto a calentar, ceden a sta por radiacin una cantidad de calor importante.

Figura 3.3: Transmisin de potencia calorfica por radiacin y conveccin. 3.1.1. El proceso de calentamientoEl objetivo fundamental de la coccin es que el calor sea transferido desde las paredes del horno al material, lo que supone un estado de agitacin molecular que provoca rotura de enlaces, dilataciones, evaporaciones, destilaciones, etc. Existe un importante intercambio de calor entre los gases que circulan a contracorriente en el interior del horno y el material. Esta transferencia se lleva a cabo por conveccin y, a mas alta temperatura por radiacin de los propios gases. Existe un caso particular, que en pura ortodoxia no debiera incluirse en este apartado y se trata del agua. Como sea que muchos materiales se introducen hmedos en el horno, es preciso hacer una anotacin sobre el particular. El horno es una instalacin diseada para elevar la temperatura de los slidos hasta la cota que exija el material. Esto supone que habida cuenta del elevado calor latente del agua, el consumo adicional del horno por este concepto ser muy elevado. (En otras palabras: usar el horno como secadero conduce a consumos especficos muy elevados y, con frecuencia, ocasiona defectos en los materiales).

3.2. Tipos de transferencia trmicaPara generar los voltiles de un combustible es preciso un nivel de temperatura en el horno y, para ello se debe transferir correctamente una cantidad de calor. La transmisin del calor acta por tres mecanismos principales, distintos por su naturaleza fsica, aunque coexistentes en la mayor parte de casos: - Conduccin pura, el fenmeno se ejerce en el seno de medios materiales compactos sin movimientos internos, como son los cuerpos slidos. - Conduccin-Conveccin, en el caso de medios fluidos, afectados por movimientos relativos de sus diversas partes: la transmisin de calor progresiva por conduccin se incrementa debido a los transportes molares de calor resultantes de los desplazamientos de materia de unos con respecto a los otros. - Conveccin natural, en este caso el movimiento del fluido se debe al efecto de las variaciones de densidad del mismo debidas a las variaciones de temperatura de los elementos. - Conveccin forzada, bajo el efecto de fuerzas exteriores que tienden a acelerar estos movimientos relativos (ventiladores, bombas, campos magnticos, etc.). - Radiacin, debido a la propiedad que tienen todos los cuerpos a emitir permanentemente radiaciones (visibles o invisibles) que se propagan a la velocidad de la luz y pueden ser absorbidas por otro cuerpo, produciendo un desprendimiento de calor. La radiacin trmica se asocia a una radiacin electromagntica con un intervalo de longitudes de onda comprendidas principalmente entre 0,01 y 100 micras. El cuerpo de mayor temperatura transmitir al segundo ms energa radiada de la que recibir de l y su temperatura bajar. La inversa suceder para el cuerpo ms fro.La conduccin y la conveccin se basan en que los tomos que han recibido energa cintica de una fuente de calor pueden propagar parte de esta energa por colisiones con otros tomos vecinos. En un slido slo son posibles las colisiones entre tomos muy prximos: el calor se propaga por conduccin. En un fluido (lquido o gas) el mismo medio puede moverse transportando tomos de gran energa cintica a sus zonas fras: el calor se propaga por conveccin. Pero el calor se puede transmitir incluso en el caso de que no exista contacto fsico entre los tomos. La energa solar, por ejemplo, llega a la Tierra a travs de un espacio casi vaco. El calor se propaga en este caso por radiacin. Los principales elementos que radian energa en un horno son las llamas luminosas, los gases de la atmsfera del horno y los refractarios. En general la conduccin juega un papel secundario en los fenmenos de transmisin de calor en un horno, excepto en dos aspectos: las prdidas de calor a travs de las paredes (determinadas en gran parte por las propiedades de los materiales de que estn constituidas) y el calentamiento de slidos de gran masa, particularmente en regmenes transitorios. En ambos casos dos son los aspectos que hay que tener en cuenta: la resistencia al paso del calor y la difusividad trmica del material. En resumen existen dos mecanismos principales, la conveccin y la radiacin y hay una serie de factores que potencian una u otra y hacen que un sistema predomine sobre otro. Dejando pues aparte la transferencia trmica por conduccin se pueden definir los siguientes criterios para determinar la forma de transmisin predominante, en funcin de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura la transferencia por radiacin es ms importante que por conveccin, por lo que se puede afirmar que en los procesos a baja temperatura en general tendr mayor importancia la conveccin y en los procesos a alta temperatura la tendr la radiacin. La expresin tpica que rige el flujo de calor transmitido por radiacin Qr es del tipo: Radiacin: Qr=Shc(T14-T24) kcal/h hj: coeficiente de transmisin por radiacin, kcal/m2hC

Donde: G: constante de Stefan Boltzmann (4,910-8kcal/m2hK4). E: emisividad global relativa de la llama (valor comprendido entre 0 y 1). Tf y Tp: temperatura de llama y de paredes, en grados centgrados. Mientras que en la transmisin por conveccin Qc la expresin es: Conveccin: Qc = Shc (T1 - T2) kcal/h. hc: Coeficiente de transmisin por conveccin, kcal/m2h C

donde: d: dimetro en metros (m). k: conductividad trmica de los gases, kcal/mhK. w: viscosidad cinemtica de los gases, m2/h. v: velocidad de los gases, m/h. 3.2.1. La radiacinEs obvio que al estar la diferencia de temperatura, en el caso de la radiacin, afectada de la cuarta potencia, a altas temperaturas su preponderancia va a ser indiscutible. Circunstancia que se ve reforzada al incrementarse el coeficiente de radiacin con la temperatura, tal y como indica la figura 3.4.

Figura 3.4: Evolucin del coeficiente de radiacin con la temperatura. Como se ver mas adelante al analizar las curvas de temperatura, en la zona de coccin, que es donde se alcanzan las temperaturas ms elevadas, es donde se consigue igualar las temperaturas de la parte alta y baja existentes en la seccin de un horno tnel convencional.

3.2.2. La conveccin.El factor ms importante en la transmisin de calor por conveccin es la velocidad de los gases. Con la velocidad la tasa de transmisin de calor por conveccin aumenta pero por el contrario disminuye la temperatura y el exceso de aire y la cantidad de inquemados aumenta.

Figura 3.5: Evolucin del coeficiente de conveccin en funcin de la velocidad de la corriente gaseosa. Al incrementar la velocidad de los gases, se incrementa proporcionalmente el factor de transmisin por conveccin, aumentando por tanto la importancia de la transmisin por este sistema, tal y como ilustra la figura 3.5. Este fenmeno se pone de manifiesto en la gama de baja temperatura, principalmente por debajo de 600 C, o sea en el precalentamiento y el enfriamiento. De la figura se observa que para duplicar el coeficiente de conveccin (hc) (pasar de 12,5 a 25 kcal/m2hC), es necesario multiplicar por tres la velocidad de los gases (pasar de 10 a 30 m/s). Esto suele ser impracticable en los hornos. A bajas temperaturas es preciso una fuerte turbulencia, que se consigue con una alta velocidad de derrame de los gases. Con ello la tasa de intercambio trmico se ve muy incrementada. Para que la transmisin por conveccin aumente de manera significativa las velocidades de derrame han de ser del orden de las 100m/s, lo cual es inaccesible en los hornos cermicos. A mayor temperatura el efecto velocidad de humos es mucho menos importante y va cobrando importancia la radiacin trmica. En funcin del tipo de material La radiacin se transmite en lnea recta de un cuerpo a otro, por lo que su eficacia depender de la mayor o menor superficie que el producto a calentar pueda presentar frente al foco emisor. Por ello, la transmisin de calor por radiacin es conveniente aplicarla principalmente al calentamiento de cuerpos con superficies grandes y planas, pocas rugosidades, pequeo espesor, etc. (baldosas, planchas, baos de poca profundidad, etc.) siendo ms indicado el calentamiento por conveccin en el caso de productos de geometra complicada, con rugosidad, huecos, etc. Como resumen a lo expuesto, la figura 3.6 muestra un horno monostrato para la coccin de vajilla. En el mismo y debido a su particular geometra, se podra eliminar la conveccin.

Figura 3.6: Horno monostrato para la coccin de vajilla. 3.3. La potenciacin de la conveccin.A parte de las propiedades comentadas en el apartado anterior, la conveccin presenta otras propiedades muy interesantes a la hora de economizar energa mediante alguna de las siguientes propiedades: - Homogeneizacin de temperaturas del horno, que obligatoriamente pasa por una gran turbulencia y por tanto elevadas tasas de transferencia de calor por conveccin. - En muchos procesos que requieren temperaturas elevadas, stas se consiguen en la denominada zona de radiacin del horno. La recuperacin del calor de los gases que abandonan la zona de radiacin es posible mediante la conveccin, como indica el que se designe a las restantes zonas del horno como "zona de conveccin".

3.3.1. Quemadores de alta velocidad.Para optimizar la transferencia de calor a baja temperatura se usan quemadores de alta velocidad, o en la terminologa anglosajona quemadores jets, o de chorro. Ello se consigue a base de mezclar el combustible con un gran exceso de aire. Los quemadores jet, consiguen bsicamente altas velocidades al efectuar la combustin en cmaras o bloques restrictivos. La mezcla de aire comburente y el combustible alcanza altas temperaturas en ellos, y por tanto aumenta el volumen de los gases; stos deben pasar por el agujero de salida de la cmara, con lo que aumenta mucho su velocidad. Para que ello sea posible, es mejor una correcta precisin en el suministro de aire que un exceso de ste; de este modo no tendr lugar el retroceso en llama. Los quemadores son los dispositivos que permiten realizar la reaccin de combustin entre el combustible y el comburente de manera controlada y regulable, asegurando la aportacin adecuada de ambos para conseguir la potencia calorfica especificada, y distribuyendo la zona de reaccin (llamas) y la circulacin de los productos de combustin de modo que se transfiera a la carga, en la manera ms eficiente posible, todo el calor producido. La misin primordial de los quemadores es regular la velocidad de combustin mediante la mezcla ms o menos completa del combustible y del aire de combustin. Aplicando la ecuacin de estado de los gases, en caso de trabajar a presin constante, el volumen aumenta de manera importante debido al incremento de temperatura que produce la combustin. Los quemadores de alta velocidad tienen por caracterstica principal, la de transmitir el calor de la combustin bajo la forma de chorro gaseoso de alta energa cintica. De esta forma se puede obtener un intercambio de calor por conveccin muy elevado y una agitacin enrgica, de la atmsfera del recinto en donde se pretende calentar, de forma homognea, cargas a calentar diversas o de formas complicadas. La figura 3.7 muestra un esquema de principio de un quemador de alta velocidad. Este comprende: - Un dispositivo de mezcla del combustible y comburente (quemador). - Una cmara de combustin (tobera). - Un orificio de salida de los productos de la combustin ya completada que produce el chorro (final de la tobera).El dispositivo de mezcla puede ser el quemador propiamente dicho (quemadores con mezcla en la cabeza) o bien separado del quemador siendo comn a varios quemadores (quemador de premezcla) Es importante insistir en que el principio de funcionamiento de un quemador de alta velocidad (y as debiera ser tambin en todos los dems) la combustin se realiza ntegramente en el interior de la tobera, o cmara de combustin, y lo que sale por el orificio de salida es un chorro de productos de la combustin, no restos de combustible. Ya que una vez dentro del horno es muy difcil de quemar lo que no ha ardido correctamente antes.

Figura 3.7: Principio de funcionamiento de un quemador de alta velocidad. La cmara de combustin debe tener un volumen suficiente, para permitir que se desarrolle la combustin completa de la mezcla engendrada por el dispositivo de mezcla.

Figura 3.8: Comparacin de un quemador convencional con uno de alta velocidad. La figura 3.8 muestra el principio de funcionamiento de un quemador de alta velocidad (parte superior) en comparacin con otro convencional (inferior). De todo lo expuesto se colige que un quemador es un dispositivo que mezcla bien el combustible y el comburente. El hecho de poder trabajar con mayor exceso de aire supone un descenso de la temperatura de salida de horno muy grande pero ello implica una gran energa cintica que se traduce en unas turbulencias que destruyen las estratificaciones de temperatura en el interior del horno. Adems el jet "fro" en el inicio de la zona de precalentamiento no produce deflexin del chorro y por tanto mejora el rendimiento (parte superior de la figura 3.8).

3.3.2. Comentarios a los quemadores para lquidos.En el caso del uso de combustibles lquidos o slidos, el problema de la homogeneizacin de las temperaturas es bastante ms complejo. La quema de un lquido comporta muchos ms problemas que la combustin de un gas. As los quemadores de lquidos llevan un dispositivo mediante el cual inyectan el combustible con mayor o menor presin. Cuando la presin es mxima, el combustible entra en el horno muy dividido, y por consiguiente se inflama para provocar la ignicin. A medida que la presin en la inyeccin desciende, el combustible tarda ms en inflamarse, y en esto consiste principalmente la posibilidad de conseguir a que la ignicin se produzca en la parte inferior del horno.

Figura 3.9: Quemador para lquido en el interior de los paquetes En la figura 3.9 hay un diseo en el cual las igniciones del combustible se producen a distintas alturas, de modo que, cuando la ignicin tiene lugar en la parte ms inferior, implica que la inyeccin de combustible se ha efectuado con menor presin. En efecto, la presin con que se inyecta el combustible lo pulveriza y, al chocar el mismo combustible pulverizado con el ambiente del horno, a una temperatura alta, las partculas se inflaman instantneamente, y no llegan a daar las paredes del horno. Como ya de por s las llamas tienden a ir por la parte superior de la galera, cuanto ms baja se obtenga la ignicin del combustible, mejor se equilibrar la temperatura en toda la seccin del canal. El ceramista usa esta propiedad para conseguir que la llama alcance todas las alturas del paquete. De los innumerables tipos de quemadores que existen se puede establecer dos variantes principales: los de inyeccin del combustible a impulsos, que no suelen tener aportacin de aire junto con el combustible, y los de inyeccin continua. La figura 3.10