Eficiencia energética en las instalaciones de calefacción y acs en los edificios. ENAC0108

2.2. Tipos de combustión

Podemos clasificar los distintos tipos de combustión atendiendo a la velocidad a la que se realiza el proceso y las proporciones de combustible y comburente empleadas en la reacción.

Cuando se produce una reacción de combustión existe un intervalo de tiempo entre la ignición inicial y la combustión rápido.

Definición

Ignición

Según la RAE, es la acción que inicia o desencadena ciertos procesos físicos o químicos.

La ignición se corresponde con la energía de activación necesaria para el inicio de la combustión, la cual puede provenir de una chispa eléctrica.

Los factores que modifican la velocidad de combustión son:

1 El estado del combustible (líquido, sólido o gaseoso).

2 La humedad del combustible.

3 La cantidad de aire durante la reacción.

4 Otros factores (como el diseño de la cámara de combustión, la presencia de suciedad y elementos no deseados, etc.).

Según la velocidad de reacción de combustión

Las reacciones de combustión se producen a distintas velocidades, pudiendo distinguir entre tres tipos:

1 Combustiones lentas: se llevan a cabo sin la emisión de llamas o luz y generalmente irradian una cantidad de calor muy baja como consecuencia de la baja cantidad de oxígeno existente.

Sabía que...

Las combustiones lentas están catalogadas como muy peligrosas en incendios domésticos, ya que de producirse una repentina entrada de aire (comburente) el fuego se aviva rápidamente, activando el incendio.

2. Combustiones rápidas: generan fuertes emisiones de luz y calor como consecuencia de las combustiones espontáneas que se llevan a cabo en su interior.

3. Combustiones estables: son aquellas en la que la proporción de combustible y comburente se mantiene constante y por tanto su velocidad de combustión a lo largo del ciclo. Las combustiones estables permiten un menor consumo de combustible.

Consejo

La mayoría de los accidentes domésticos se deben al fuego en la cocina. Si el aceite de una sartén comienza su combustión, se recomienda tapar esta, de manera que al privar la reacción de oxígeno esta finalice. Nunca intentar apagar el fuego de una sartén con aceite con agua, ya que se consigue el efecto contrario.

Según las proporciones del combustible y comburente

Diferenciamos tres tipos de combustiones en función de las proporciones de combustible y comburente en la reacción:

1 Combustión incompleta: donde se lleva a cabo una reacción con defecto de oxígeno, al aportarse una cantidad de aire menor a la necesaria para quemar completamente el combustible. Las combustiones con defecto de oxígeno favorecen la formación de monóxido de carbono (CO), altamente tóxico. Además, presentan el inconveniente de generar un exceso de humos y ser poco eficientes, al quedar parte del combustible sin reaccionar. Ejemplo: en el día a día podemos encontrar diferentes situaciones en las que se pueden producir reacciones de combustión incompleta, que pueden llegar a afectar a la salud de las personas. Algunos de estos casos son: la combustión incompleta de un brasero, un calentador de agua o la combustión incompleta que se produce en el motor de un automóvil.

2 Combustión completa: se produce cuando la reacción se realiza con un nivel de oxígeno mayor del necesario, lo que garantiza el máximo grado de oxidación del combustible. Este proceso queda intrínsecamente exento de emisión de sustancias combustibles en los gases de escape. No obstante, en la combustión completa se generan pérdidas de calor, debidas a una mayor eliminación de la cantidad de gases junto con los humos.Gases de escape en una combustión

3 Combustión estequiométrica: este tipo de reacción aporta al proceso la cantidad de aire necesaria (sin exceso, ni defecto) para quemar completamente todo el combustible.

Otras reacciones de combustión

Además de las combustiones estudiadas, existen dos reacciones de combustión muy importantes:

1 Deflagración: es una reacción de combustión a muy alta velocidad, en la que no se produce explosión. Durante el proceso de deflagración, la llama avanza mediante la difusión térmica de la energía. Este fenómeno se produce cuando el combustible es altamente inflamable. Un ejemplo de deflagración sería la combustión del gas butano en la hornilla cuando este es encendido mediante una chispa.

2 Detonación: la detonación ocurre a una velocidad mucho mayor que la deflagración, superando la barrera del sonido y generando una onda de choque. En los procesos de detonación es muy importante el diseño del contenedor de la mezcla para aumentar la potencia de la detonación.

La gasolina es un combustible que a temperatura y presión ambiental su combustión no produce una detonación; en cambio, cuando la gasolina es introducida a presión dentro del cilindro del motor, la combustión de esta genera una explosión de una gran fuerza de empuje. Por tanto, un mismo combustible puede realizar una combustión de deflagración o detonación en función del medio en el que está confinado.

Actividades

3. Clasifique la siguiente lista, según sea deflagración o detonación.

1 Encender una cerilla.

2 La pólvora de un cohete de fuegos artificiales.

3 Encender un calentador de butano.

4 Motor de combustión.

5 Combustión de un barril de gas inflamable.

Aplicación práctica

Una fábrica de cerámicas ha solicitado un presupuesto para la sustitución de las calderas diésel, que emplea para calentar los hornos, por calderas de biomasa que trabajen con hueso de aceituna. El cliente es un perfecto conocedor de los procesos de combustión, y quiere que en el presupuesto aparezca porque se trata de un proceso eficiente. Como técnico encargado, debe seleccionar el proceso de combustión más adecuado en el que debe trabajar la caldera y justificarlo al cliente.

SOLUCIÓN

Desde el punto de vista de la velocidad de combustión, la caldera debe trabajar en un régimen de combustión estable donde la proporción de hueso de aceituna y aire sea constante, ya que permite un menor consumo de hueso de aceituna, mejorando la eficiencia.

Las proporciones de hueso de aceituna y aire deben permitir una combustión completa acercándose a proporciones estequiométricas, de manera que no se produzca un exceso de aire que haga perder calor a la caldera, ni un defecto de aire que produzca una combustión incompleta del hueso de aceituna.

Teniendo en cuenta estos dos factores, a la hora de producir la combustión del hueso, la caldera trabajará en un proceso eficiente donde el consumo de combustible será el estrictamente necesario.

2.3. Exceso de aire

Desde el punto de vista de la eficiencia se debe conseguir reacciones de combustión completas, cercanas a la combustión neutra o estequimétrica.

La relación entre la cantidad de aire introducida en el proceso de combustión y la necesaria, es el “coeficiente de exceso de aire” (n):

Donde:

 n = 1 Combustión estequiométrica.

 n < 1 Mezcla rica (falta de aire).

 n > 1 Mezcla pobre (exceso de aire).

Como puede suponerse, la mayoría de las combustiones se producen fuera de la relación estequiométrica entre combustible y aire, por lo que se puede clasificar la combustión de una mezcla en función del nivel de aire existente.

Combustión con exceso de aire

Cuando la cantidad de aire aportada supera a la necesaria para la combustión estequiométrica se produce una combustión con exceso de aire. En estas condiciones la combustión puede ser completa o incompleta y recibe el nombre de mezcla pobre, puesto que la cantidad de combustible es insuficiente.

Ejemplo

En los motores diésel de combustión interna alternativos (motor de un coche) se buscan combustiones con excesos de aire, es por ello que algunos motores incorporan un eje llamado turbo que introduce una cantidad de aire mayor que la necesaria, con el fin de aportar una mayor potencia sin aumentar excesivamente la cantidad de combustible.

Combustión con defecto de aire

Cuando la cantidad de aire es insuficiente para poder realizar la combustión estequiométrica de la mezcla, se produce una combustión rica, ya que la cantidad de combustible empleada es mayor de la necesaria.

Ejemplo

Si realizamos la combustión del metano con defecto de aire:

Se producen residuos inquemados como el hidrógeno (H2) y el monóxido de carbono (CO) y, por lo tanto, una pérdida de producción de calor.

Lo ideal es realizar una combustión estequiométrica, sin embargo esto es técnicamente muy complicado, por lo que opta por realizar combustiones completas con exceso de aire y lo más cerca al punto de combustión estequiométrica. Debe tenerse en cuenta que cuanto mayor es el exceso de aire menor es el calor aprovechado, puesto que una parte del calor de la combustión se emplea en el calentamiento de humos, los cuales aumentan con el exceso de aire.

Importante

Es muy importante realizar correctamente la puesta a punto de la caldera de un edificio para evitar combustiones con exceso de aire que producen grandes cantidades de humos además de combustiones incompletas, las cuales contribuyen a un aumento innecesario de consumo de combustible.

Puesta a punto de una caldera

Lo más importante para lograr una correcta combustión es diseñar correctamente la cámara de combustión y el sistema de inyección, de manera que se consiga una correcta mezcla del combustible-aire. Los combustibles gaseosos son más flexibles a la hora de mezclarse con el aire, en cambio combustibles líquidos y sólidos realizan combustiones generalmente muy lejos de los puntos estequiométricos.

2.4. Diagramas de combustión

Los diagramas de combustión se emplean a la hora de realizar los cálculos de combustión de una forma precisa y rápida. El proceso de combustión genera gases cuyas proporciones dependerán de las concentraciones de aire y combustible en la mezcla. La composición de una combustión se puede representar mediante diagramas, además de ellos podemos obtener la relación de humos o productos de desecho de la combustión.

Diagrama de combustión

Los diagramas de combustión permiten calcular el exceso de aire del proceso, así como la composición de los humos, además de las proporciones de CO2 y oxígeno necesarios.

Diagrama de Ostwald

El diagrama de Ostwald determina el exceso de aire mediante el porcentaje de los gases que intervienen en la combustión.

En este diagrama podemos diferenciar los siguientes elementos:

1 Línea de combustión completa: es la línea que representa el proceso de combustión completa donde todo el carbono se transforma en CO2.

2 Rectas equivalentes en CO: son un conjunto de rectas paralelas a la línea de combustión completa que determina la cantidad de monóxido de carbono que se genera en una combustión incompleta.

3 Paralelas de exceso o defecto de aire: son un conjunto de líneas paralelas que indican el coeficiente de exceso de aire de la combustión.

Nota

La línea de aire o línea estiquimétrica divide el diagrama de Ostwald en dos zonas: una para las combustiones con exceso de aire y otra para las combustiones con defecto de aire.

El diagrama de Ostwald es muy útil para determinar el tipo de combustión que se lleva a cabo de una forma rápida y sencilla. Cada combustible presenta un diagrama distinto, por lo siempre debemos comprobar que se está empleando el diagrama correcto. Como limitación, el diagrama de Ostwald solo muestra las cantidades de CO producidas y no el resto de posibles productos inquemados.

Ejemplo

Mediante el diagrama anterior se va a analizar la clase de combustión que se lleva a cabo en un proceso, que como resultado de la medición se ha obtenido un 7% de CO2 y un 10% de O2.

RESULTADO

Si trazamos dos líneas con los datos aportados, el punto de corte nos indicará qué clase de combustión se está realizando.

En este caso, tenemos:

Como podemos ver en el punto de corte, la combustión se está realizando de forma incompleta con un exceso de aire.

Recuerde

“n” es el coeficiente de aire, donde su valor 1 indica que se realiza una combustión estequiométrica; mientras que en valores mayores de 1 se realizan combustiones con exceso de aire, y para valores inferiores a 1, combustiones con defecto de aire.

Diagrama de Keller

El diagrama de Keller se emplea para combustiones incompletas. En este diagrama, además de aparecer la cantidad de CO producida, también recoge la cantidad de hidrógeno (H2), así como algunos productos inquemados dependiendo del tipo de combustible. Se emplea para el cálculo de combustibles con alto contenido en H2 y cuando el índice de exceso de aire es relativamente bajo.

La forma de proceder al cálculo de una combustión con el diagrama de Keller es similar al proceso descrito en el cálculo del diagrama de Ostwald.

Diagrama de Kissel

El diagrama de Kissel se emplea para combustiones incompletas de gases, como puede ser el butano, el propano o el gas natural. El modo de trabajar con el diagrama de Kissel es similar al de Ostwald o Keller, donde introduciendo los valores de O2 y CO2 podemos obtener el punto de combustión de la mezcla.

Diagrama de Bunte

A diferencia de los diagramas de Ostwald y Keller, el diagrama de Bunte se emplea para procesos de combustión completa donde, gracias a la medición de los productos como el CO2 y el O2, puede obtenerse el grado de exceso de aire que se produce.

El diagrama de Bunte es muy útil a la hora de analizar el proceso de combustión completa, ya que permite identificar las posibles mejoras para conseguir una combustión estequiométrica.

Actividades

4. Según lo estudiado, ¿puede realizarse una combustión completa con defecto de aire? Argumente su respuesta.

Aplicación práctica

Está realizando el análisis de la combustión de una caldera; para establecer unos valores de combustión óptimos en el funcionamiento, debe ajustar la entrada de aire. Ha realizado la medición de los gases de escape y mediante el siguiente diagrama aportado por el fabricante obtiene unos productos de la combustión de 8% CO2 y 10% O2. Indique de qué tipo de combustión se trata y la cantidad de exceso o defecto de aire, así como el porcentaje de CO generado.