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CONTROL Y NORMATIVAS DE GAS ENMEDIA Y BAJA PRESIN

INTRODUCCIN

El conjunto de elementos que componen a una instalacin de gas domiciliaria, permiteconducir al combustible desde la red de distribucin o cilindros hasta los aparatos deconsumo (cocinas, estufas y calefones). Esta conduccin deber ser lo suficientementesegura para resguardar la vida de los moradores y de sus bienes materiales.

Sabemos que el gas es un fluido peligroso y que no puede ser manipulado por personasinexpertas, razn por la cual, en las instalaciones interiores de gas, debern usarseelementos y dispositivos que posean cualidades y caractersticas de certificacin. Por otraparte, las tuberas, las llaves de corte, los reguladores de presin, las Teede pruebas, lossifones, los arranques, las ventilaciones de recintos, la orientacin de los artefactos, lasdescarga de gases, la distribucin en subterrneos y, en general, los restantes elementosque conforman una instalacin, no pueden ser dispuestos de cualquier forma, sino quedeben ser orientados, unidos y acoplados debidamente entre s, para satisfacer las pruebas yrevisiones exigidas por la Normativa.

Por lo tanto, los temas que trataremos en el desarrollo de este curso, son fundamentalespara la formacin de personas que se dedicarn posteriormente a la reparacin, mantencine inspeccin de artefactos a gas de uso domiciliario, principalmente en el manejoinstrumental y en la destreza y seguridad que ellos logren para desarrollar el criterio de la

funcionalidad y confiabilidad de una instalacin.

Hernn Soto NiloAlejandro Riquelm S.


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AlejandroRiquelmeSaldaa

CONTROL Y NORMATIVAS EN INSTALACIONES DE GAS

INTRODUCCIN

Todas las personas pasamos, en promedio, 8 horas diarias en el interior de una vivienda, sinembargo, la preocupacin por la calidad de vida en interiores de habitaciones comenzaproximadamente en 1995, motivada por 2 aspectos:

a.- Por el desbordante crecimiento que comenz a tener la vivienda en altura.b.- Por el inters de traerGas Naturaldesde Argentina a Chile

El Ministerio de Economa Fomento y Reconstruccin, el 25 de abril de 1996 publica en elDiario Oficial el Decreto # 222. Reglamento que regula todo lo relacionado con lasinstalaciones de gas en interiores de viviendas. En este reglamento se destacan 3 aspectosimportantes :

1.- Los requisitos mnimos de seguridad que debera cumplir una instalacin de gas paraproteger a las personas y sus bienes.

2.- Las disposiciones generales, que deberan ser aplicadas en todo el Territorio Nacional,para regular :

- El proyecto ( o el plano) de la instalacin de gas combustible para uso domiciliario.

- La construccin y montaje del mismo.

- La mantencin y fiscalizacin que debera realizarse en el tiempo.

- La puesta en servicio.

3.- Se fija un glosario de 73 definiciones, con su respectivo significado y que se encuentranrelacionados con la materia de la instalacin, mantencin y serviciode combustible.

Posteriormente, a travs de la circularN 1241 del 18 de Junio de 1997, la SECentrega unprotocolo tentativo para medir el monxido de carbono COen interiores de vivienda. Esteprotocolo establece que el lmite mximo permitido ambientalmente deber ser de 45 ppmpara un promedio de 30 min. pero, ninguna medicin comprendidas dentro de los 30 min.podr sobrepasar las 200 ppm por 5 min.

Para comprender mejor esta afirmacin veamos el siguiente ejemplo:

Supongamos que se mide un calefon en un departamento y se encuentran los siguientesvalores ambientales (en los alrededores de la fuente y manteniendo todas sus puertascerradas a otra dependencia vecinal)

Tiempo / min. = 0 5 10 15 20 25 30CO / ppm = 10 15 25 48 36 28 22Por lo tanto, el CO promedio es de: 26,28 ppm para los 30 min. Criterio de aplicacin : Aceptado!


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Si repetimos el mismo ejemplo, pero con un pick de 200 ppm , tendremos:

Tiempo / min. = 0 5 10 15 20 25 30CO / ppm = 10 15 15 200 26 28 10

Por lo tanto, el CO promedio es de: 43,4 ppm durante los 30 min. Tericamente estara

aceptado por ser inferior a 50 ppm, pero como una de las medidas entreg un valor de 200

ppm, entonces se rechaza la funcionalidad del artefacto por emisin de CO.

En la actualidad se han reportado un gran nmero de denuncias a la Superintendencia de

Electricidad y Combustible(SEC)con resultados de accidentes causados por : explosiones ,

incendios , intoxicaciones y muertes, como consecuencia del poco controlsobre el uso del

gas combustible.Lo anterior ha motivado una preocupacin , no slo para SEC, sino que tambin para las

Empresas que venden gas combustibley para los Laboratorios de Serviciosdedicados a la

inspeccin peridica de las instalaciones. A continuacin se presentan los ltimos

accidentes que han causado connotacin pblica.

CASOS FATALES OCURRIDOS POR INTOXICACIN CON MONXIDO DE CARBONO

El 1 de marzo de 1997: Vernica Escrate (34 aos), jefa de adquisiciones de laComisin Chilena de Energa Nuclear, muri por inhalacin de monxido de carbono.Habitaba el departamento 503 de calle Encomenderos 237 de Las Condes.

El 1 de Julio 1997: Magdalena Leighton (24 aos) falleci debido a la inhalacin demonxido de carbono que se acumul en el ducto de ventilacin del calefn. Resida en eldepartamento 503 de calle Encomenderos 237 en Las Condes .

3 de agosto 1997: El cuerpo de Paula Lira, de 22 aos, fue encontrado en su departamentode Merced 471 muerte por inhalacin de gas proveniente del calefon

Agosto de 1997: La asesora del hogarLaura Liqun fue encontrada muerta en el bao delinmueble de Ricardo Lyon 619, por inhalacin de gas.

Sbado 20 de septiembre 1997: Elvira Cdiz visitaba a su esposo, el conserje del edificioubicado en Santo Domingo 534. Luego de darse una ducha, su cuerpo fue encontrado en elpiso del bao. Su deceso se debi a la inhalacin de monxido.

Martes 16 de diciembre 1997:Mara Teresa Irribarren (20 aos) fue encontrada sin vida porsu padrastro a las 23.30 horas en el bao de su departamento N 307 ubicado el el edificio


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de Bilbao 3561. En el inmueble ya se haban producido otros casos de intoxicacin, pero sinresultado fatal.

Lunes 20 de abril 1998: una pareja fallece en un departamento de la calle Juan XXIII, en lacomuna de Vitacura, como consecuencia de una asfixia por monxido de carbono.

Junio 1998: En un departamento en la comuna de San Miguel muri la menor Elisa Utreras,de dos aos, intoxicada por CO.

Jueves 27 de agosto 1998: Tres ciudadanos brasileos (un matrimonio y un lactante)perdieron la vida por inhalacin de gas en el condominio El conquistador 4, ubicado en calleCompaa 1737.

Lunes 21 de septiembre 1988:muere la sicloga y funcionaria de Corp-Banca, AdrianaValjalo (31 aos) viva sola en el departamento N 22 en un edificio de nueve pisos en calleHelvecia 228 (a escasas cuadras de Encomenderos 237, en donde se registraron los dosprimeros casos de asfixia por gas).

10 de Abril 1999: Vernica Gonzlez de 34 aos y su hijo Mario Ivn MontenegroGonzlezde 9 aos , esposa e hijode un asistente de la Polica de Investigaciones muerenasfixiados por inhalacin de monxido de carbono que emanaba de un calefon,presuntamente en mal estado, en su casa de calle San Andrs, comuna de Pudahuel.

28 de Abril 1999: Roberto Bernstein Martnez (11 aos) se preparaba para ir a clases ymientras se baaba en el departamento de su abuela en calle Carlos Antnez, el CO queamanaba del calefn ubicado en la misma sala de bao,lo mat por asfixia.

el 20 de Julio de 1999, muere intoxicado por CO el abogado de 39 aos . Sr.JorgeBerghammer, vicepresidente de la comisin chilena del cobre. En la calle Chile-EspaaN537 de la comuna de uoa. El resto de su familia fue rescatada con agudos sntomas deintoxicaciones. La tragedia se debi a una estufa mural abastecida por Metrogas. La cualpermaneci por muchas horas encendidas consumiendo el aire del recinto.

El 15 de Agosto de 1999 muere el Sr. Fco. Javier Segovia Toledo , empleado de unaagencia de turismo, de 35 aos de edad asfixiado con gas mientras se duchaba en sudepartamento ubicado en calle Bombero Mximo Humbser N 537. Cabe destacar que esemismo da, los 2 hijos del vecino del seor Segovia Toledo, haban experimentado desmayosa consecuencia de que un fuerte olor a gas inund los pasillos del edificio.

En abril del 2000, la Sra.Julia Lorca Espejo,una anciana de 83 aos,que sobrevivi trascaer al vaco desde el cuarto piso de un edificio en uoa a causa de una explosin de gas.

En abril del 2000,la intoxicacin de 3 mujeres y un lactante con gas de ciudad, en uninmueble de la calle Teresa Clark, en Santiago-Centro.

En Mayo del 2000, la intoxicacin de una dama carabinero, quien pereciera por intoxicacinen el interior del bao, mientras se duchaba al trmino de su turno.


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El da 20 de Julio del 2000, Muere la modelo argentina Karina Kresta. Su departamentoubicado en las Condes se incendia a consecuencia de la fuga de GLP de una estufacataltica. La Modelo, sofocada por las llamas, salta al vaco desde el 15 piso.

El 17 de Septiembre del 2000, muere por asfixia el Sr. Pedro Goic dirigente de la

Democracia Cristiana y Subsecretario de MIDEPLAN. Su familia constituida por su hermano,esposa y suegra son internados con diagnstico de gravedad. En el domicilio falt el aireprimario para el calefactor.

El 20 de Junio del 2002, mueren por asfixia con CO, Victor Hugo Donoso de 14 aos y suabuela Gladys Mara Hernndez Prez de 78 aos. El calefon no tena ducto de ventilaciny se produjo acumulacin de monxido. El departamento se encuentra ubicado en calle ElGuanaco N 1104 comuna de Conchal.

La mayora de estos edificios, donde han ocurrido tragedias, presentan anomalas no sloen sus artefactos, sino que adems en los ductos colectivos o shaft . El problema seguirsiendo crtico debido al aumento significativo que ha tenido la construccin en altura. Slodebemos reflexionar en el hecho de que - en promedio - se construyen en La ReginMetropolitana entre 90 y 100 edificios al ao.

Las principales anomalas que se presentan en los edificios comunitariosa.- Fugas de gas combustible, proveniente de artefactos, de las lneas de gases o delpropio medidor de gas.b.- La ubicacin ( inadecuada) de los nichos de medidores.c.- La falta de celosas de respiracin en puertas de bao y en los cielos falsos.d.- La prdida de tiraje en un determinado shaft, como consecuencia de que la celosadel mismo est obstruda o el cenicero se encuentra tapado, o bin, que el ducto

colectivo carezca de verticalidad.e.- Falta de aislacin trmica en las paredes del shaft, enfrindose los gases yperdiendo cintica.f.- Los residuos de la construccin en el interior de los ductos colectores,principalmente la Bepolita que se us para la fabricacin del ducto, y que no fueretirada por la Empresa Constructora. Este material se va disgregando y depositandogravitacionalmente en los ductos secundarios de calefones.g.- La construccin de un sombrerete aspirador estacionario no sujeto a normas. Loanterior que se traduce en que, en lugar de ser aspirador, es un freno a la evacuacin.h.- El uso inadecuado que muchas constructoras le dan a los shaft, ya que a travs deellos pasan a dems :

- canaletas de circuitos elctricos- ductos de respiracin de baos- Antenas de TV o de Video-Cable- Caeras de agua.

i.- Otro aspecto que se debe agregar es que muchas personas instalan en susdepartamentos, otro calefon u otro calefactor, sin consultar a personas especializadas.Generalmente, las descargas de stos nuevos artefactos, las ubican en el ducto de


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respiracin del edificio, lo que conlleva generalmente a que los gases desprendidosimpacten en otras dependencias del edificio.j.- Finalmente debemos agregar que la mayora de las personas se olvidan de hacermantenimiento a sus propios artefactos, a lo menos, una vez al ao. Cuando se lespregunta acerca de esto, la respuesta es siempre la misma ........... y para qu, si

todava funciona?

FORMACIN DEL MONOXIDO DE CARBONO ( CO )

La formacin del monxido de carbono CO fundamentalmente se debe a combustiones condficit de aire, es decir, tal como se presentan la mayora de las combustiones domiciliariascon los calefones, cocinas, estufas, hornos etc. Este tipo de combustin se conocen comocombustin atmosfrica. Si una combustin se realiza con exceso de aire, se producetambin un enfriamiento del hogar lo que tambin conlleva a reacciones qumicasincompletas y el resultado es emisin de CO. El choque de llama tambin produceemisiones de monxido de carbono, debido a que la llama no termina de desarrollarsecuando se extingue. Esta situacin se da con frecuencia en la mayora de las combustionesdomiciliarias. As por ejemplo :

a.- La llama choca contra la superficie metlica de la olla o tetera.b.- En las estufas la llama choca contra la rejilla metlica del refractario.c.- En el calefn la llama choca contra el serpentn que transporta el agua, que es unapared fra y/o contra la rejilla del intercambiador de calor.

Estos fenmenos de choque de llama, dficit de aire o exceso del mismo, tambin producenemisiones de :

- Oxidos de Nitrgeno NOx- Material Particulado PM -10- Compuestos orgnicos voltiles COV ( por ejemplo el HCHO)

MONOXIDO DE CARBONO : CO

Es un gas txico, que no tiene olor, color ni saboresirritante. Este gas adems no se

estratifica, ya que su densidad es parecida a la del aire. Es decir, a 25C y 1 atm resulta ser

de 1,145 (g / l), lo que significa que se distribuye de igual forma como lo hace el aire, ya

que la densidad de ste es similar en valor. Este aspecto lo hace ser sumamente peligroso y

se le ha dado el sobre-nombre de Asesino Silencioso

Por otra parte, a ciertos combustibles gaseosos se les adiciona CO en su manufacturacin,

talcomo el Gas de Ciudad o Bogas y, tambin se les adiciona

pequeas cantidades de compuestos azufrados (mercaptano) para que desprendan un olor

desagradable y poderlos detectar cuando hay fugas. Lo anterior constituye adems un

verdadero riesgo, ya que una simple fuga de gas de ciudad, proveniente de algn artefacto,

podra matar a un individuo slo con la cantidad de COque contiene de su manufacturacin (


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aprox. 2,8 % =28000 ppm) y sin la necesidad de haber combustin. A nivel de combustiones

domiciliarias, el principal aporte de CO lo realizan: cocinas, chimeneas, estufas a gas y

kerosenne, calefones, calderas murales, asaderas , humo de tabaco, braseros, termos y

calentadores de agua.

Efectos del CO sobre la salud humana.

El COse enlaza a la hemoglobina de la sangre por medio de los tomos de fierro, formando

la carboxihemoglobina, cuya afinidad por el CO es 200 veces mayor que con el O2 del

aire. Por lo tanto se bloquea el transporte de oxgeno hacia los tejidos vivos. La reaccin

qumica simplificada la podemos asumir como:

Hb + CO COHb (carboxihemoglobina)

La reversibilidad del proceso es muy lenta y se necesitan varias horas de respiracin en una

atmsfera de aire puro, para liberar el CO de la sangre.

El siguiente cuadro resume el efecto del CO en el ser humano :

De una poblacin de personas, existen ciertos grupos que se encuentran ms expuestos a

los niveles de Monxido CO, entre ellos:


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- La polica del trfico.

- Los guardias de tneles.

- Los cuidadores de estacionamientos subterrneos.

PERSONAS CON MAYOR RIESGO :

- Bebes y nios.

- Mujeres embarazadas.

- Personas con angina de pecho.

- Personas con incapacidad respiratoria.

- Personas de la tercera edad.

- Personas con anemia.

Efectos de la carboxihemoglobina sobre la salud(OMS :Organizacin Mundial de la Salud).

COHb(%) Efectos

< 1.0 Ningn efecto aparente

1.0-2.0 Alguna evidencia de efectos en el comportamiento humano

( mareado, sueo)

2.5-5.0 Efectos sobre el sistema nervioso centralDisminucin de la capacidad visual.

>5.0 Cambios cardacos y pulmonares funcionales

10.0-80.0 Dolores de cabeza, fatiga, desmayos, coma, falla respiratoria, muerte.

CONDICION Y METODO DE ENSAYO PARA MONOXIDO CO

Art 4.3.4. R.E.489 ( 30 Marzo de 1999)

Deben realizarse dos pruebas con el artefacto funcionando a plena carga :

- CO ambiental donde se encuentra el artefacto y sus alrededores

- CO corregido referencial ( es decir, referido a la cmara de combustin)

El instrumento a utilizar deber medir directamente los valores de CO ambiental, en el punto

donde se ha instalado la sonda. Es decir, en los alrededores de la perforacin del ducto

secundario, cuando ste se encuentre a plena carga, durante la medicin del CO referencial.


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Se recomienda que el operador tenga el instrumento de CO ambiental colocado a la altura

de sus hombros.

Se debern tomar 3 lecturas separadas por un minuto cada una y se considera el valor

promedio de las tres como valor a registrar en la inspeccin. Repetir el mismo esquema en

artefactos del Tipo-A, previo funcionamiento del mismo por 10 min.

DETERMINACIN DEL CO AMBIENTAL

Esta prueba complementaria a la anterior deber verificarse antes y durante el encendido del

artefacto. Es decir, en conjunto con la determinacin del CO corregido y del Tiro del

artefacto.

1.- Calibre el instrumento segn indicaciones del fabricante ( en lo posible al aire ambiente)

2.- Cierre puertas y ventanas del recinto a observar, manteniendo las ventilaciones sin alterary, es decir, si existen extractores o ventiladores, deben ser operados.

3.- Colocar la sonda de medicin, en a lo menos dos posiciones, donde indique el morador

que permanece mayor tiempo.

4.- Si los valores superar los 45 ppm de CO, se deja la instalacin con Sello Rojo

Instrumento para CO Ambiental

El instrumento de medicin deber reunir las siguientes caractersticas :

a.-Sensibilidad mnima 1 ppm

b.-Intervalo lectura 0 a 1000 ppm

c.-Tener un filtro que elimine cualquier contaminante del aire que interfiera en la medicin

( principalmente alcoholes)

d.- Deber tenerDataloggerque permita almacenar y transferir posteriormente la informacin

a un computador

e.- El instrumento deber ser calibrado peridicamente, segn instruccin del fabricante.

DETERMINACIN DEL CO CORREGIDO O REFERENCIAL

1.- La medicin deber ser realizada a plena carga y a la condicin ms desfavorable. Es

decir, con puertas y ventanas cerradas a otro recinto vecinal y con extractores

desconectados. Pero, si el departamento tiene aberturas de ventilacin fijas, deber

permanecer habilitada. Se debern realizar 3 mediciones en cada artefacto y, cada una de

ellas separadas por un tiempo de 1 minuto


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2.- Se deber comenzar con el calefn del 1 piso, el que se hace funcionar a plena carga.

Cuando se termina las 3 mediciones de l (para obtener posteriormente un promedio), nos

trasladamos al piso siguiente para proceder a medir el otro calefn a las mismas condiciones

que el primero, pero sin apagar el calefn inicial. Es decir, debe continuar a plena carga. Al

trmino del segundo, nos transladamos al 3 calefn del piso siguiente y se deber mantener

encendido a plena carga el 1 y 2 y as sucesivamente, hasta terminar la vertical.

Rango de la medicin CO corregido Observacin

Entre 0 y 400 ppm Buenas condiciones. Sello Verde

Entre 401 y 1000 ppmMalas condiciones, mantener o repararSello Amarillo ( por 15 das)

Mayor que 1000 ppm Se recomienda reemplazar el artefacto

Sello Rojo

LOS GASES COMBUSTIBLES

Se clasifican en 3 familias:

a.- Primera Familia(Gas de Ciudad): est constituida por los gases manufacturados,

el que comnmente se le designa como Gas de Ciudad. Este gas procede desde una

fbrica y se distribuye a travs de redes subterrneas. Este gas tambin recibe la

denominacin de aire butanado o propanado, para indicar el bajo contenido de propano-

butano.

En lo referente a la obtencin, podemos decir que ste gas tiene un alto porcentaje de

biogas o gas de basuralel cual es muy pobre en caloras. La fabrica lo enriquece mediante

el cracking de la nafta (que son hidrocarburos contenidos en el asfalto) Este proceso de

craking tambin genera CO y que es por ende, adicionado al gas manufacturado. Esta es la

razn por la cual el gas de ciudad contiene, desde su fabricacin, cantidades no despreciable


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de monxido (aprox. 3%), lo que lo hace ser muy peligroso, ya que sin existir combustin en

una fuente, estara presente el monxido de carbono.

b.- Segunda Familia : (Gas Natural). El gas natural usado en Chile es muy rico en

Metano. Su procedencia es de Neuqun Argentina. El City-Gate se encuentra en San

Bernardo, aqu se reduce la presin de llegada del combustible hasta una presin de

aproximadamente 8 bar, para ser distribuidos por una red subterrnea que recorre toda la

ciudad.

c.- Tercera Familia : Se refiere a los gases licuados de petrleo, los que son muy ricos en

propano y/o butano. Estos gases se distribuyen en cilindros, donde van a una alta presin

que los mantiene al estado liquido dentro del cilindro( 10 atm )

Cada una de stas familias tiene propiedades Fsicas y Qumicas propias, tales como:

densidad especfica, densidad relativa, poder calorfico, ndice de Wobbe, composicin

qumica, presiones de servicio etc.etc. Por lo tanto, si un quemador funciona bien con un

tipo de gas, el mismo quemador funcionar muy mal, con un gas de otra familia y ser

necesario acondicionarlo mecnicamente para poder usarlo.


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PROPIEDADES DE LOS GASES

FAMILIA DE GASES COMBUSTIBLES

GASFrmula %

VolumenDensidad P.ebullicin P. fusin Solubilidad

en agua

(g/ml) (C) (C) (cm3/L)Nitrgeno N2 78,08 1,25 -198,5 -209,8 23,5Oxgeno O2 20,9 1,43 -183 -218,4 48,9

Argn Ar 0,93 1,78 -185,7 -189,2 56Deixdo deCarbono

CO2 0,0033 1,97 -78,5 -56,6 1713

Hidrgeno H2 5, OE-05 0,09 -252,7 -259,1 21,4

PRIMERA FAMILIA = GAS DE CIUDADPropiedades Component

esComposici

nPorcentual

Elementos

Composicin

Centesimal

Caractersticas Asociadas

CO 3 % C 29,5 %H2 53 % H 8,6 %

CH4 23 % O 46,8 %21 % N 15,1 %

- Proviene deFbrica

- Alto porcentaje debiogas

- Se enriquece conel craking de ka nafta(CO)

- Se distribuye por redes

Mezcla de(CO2 + N2+

SO2)S


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TERCERA FAMILIA = GAS LICUADO

CONSTANTES CRITICAS DE ALGUNOS GASES

Propiedades Componentes

Composicin

Porcentual

Elementos

Composicin

Centesimal

Caractersticas Asociadas

C2H6 0,5 % C 81 %

C3H8 9,1 % H 19,0 %

i-C4H10 30,8 % O 0,0 %

n-C4H10 59,58 % N 0,0 %

- Mezcla Propano-Butano

- Se distribuye encilindros

- Los cilindrosaprox. 10 At

- Se debe garantizar elregulador de presin.

SO2 0,01 % S 0,01 %

Densidad absoluta = 1,81(Kg/m3)

Densid. Relativa =1,58 (a 25C y 1

Atm)

PCS = 22400 Kcal/m3

P. Serv. = 2,7 Kpa (rango:2,2-3,3 Kpa)

Rango Inflambilidad =(2,4-9,7) %

GAS Tc/k Pc /AtmH2 33,2 12,8N2 126,0 33,5O2 154,3 49,7CH4 191,1 45,8C2H6 305,2 48,8C3H8 369,9 42,0n-C4H10 426,0 36,0Iso-C4H10 407,1 37,0

EL ESTUDIO DE LOS GASESCOMBUSTIBLES PUEDE SERREALIZADO EN:

Baja Presin = (0 5) KPa

Media Presin = (5,1 600) Kpa


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CONCEPTOS BASICOS ASOCIADOS AL BALANCE DE MASA

Fluido : Es toda sustancia ( lquida o gaseosa ) cuya cohesin molecular es tan baja, que se

adapta fcilmente al recipiente que la contiene. Como ejemplo tenemos los gases y los

lquidos en general.

Movimiento de un fluido en un ducto : Tradicionalmente el movimiento de un fluido en un

ducto, se determina siguiendo el movimiento de cada partcula que forma parte del fluido.

Este hecho nos permite entonces aplicarle a cada una de stas partcula las leyes de la

mecnica clsica ( Newtoniana).

Tipos de Fluido : Los fluidos pueden clasificarse como compresibles e incompresibles

- Fluido Compresible : Es aquel que tiene una densidad variable(gases)

- Fluido Incompresible : Es aquel que tiene una densidad constante(lquidos)

Lnea de Fluido : Corresponde a la direccin y sentido en el cual se mueve el fluido en un

ducto. Este es el primer parmetro que debemos conocer cuando se analiza, por ejemplo :

- La salida de los gases de escape desde una fuente de combustin

- La llegada de un combustible ( lquido o gaseoso) proveniente de un estanque.

- El impacto de un fluido sobre una superficie

- El paso de un fluido a travs de un orificio crtico

- La descarga de un fluido desde un sistema a otro. etc. etc.

Caudal : Es la cantidad de fluido que pasa por un punto de referencia, en cada unidad de

tiempo.

Tipos de Caudales : Existen3 tipos de caudales como los ms clsicos y que se asocian

principalmente con nuestro estudio


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- Caudal Laminar : Cuando las partculas del fluido se desplazan por el ducto en

forma de lminas, siendo la velocidad de flujo mayor al centro del ducto que en las

orillas.

En un caudal de tipo laminar como el perfil de velocidades es de tipo cnico la

mxima velocidad se obtiene en el centro del ducto ya que las lneas de corriente

que van cerca de las orillas pierden velocidad debido a el roce con las paredes.

- Caudal Turbulento: Cuando las partculas del fluido tienen una velocidad angular

neta, respecto de la lnea de fluido. Por lo tanto, el fluido mostrar durante su

desplazamiento, un perfil plano. Es decir, en todos los puntos de la seccin

transversal se tendr prcticamente la misma velocidad.


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- Caudal Ciclnico : Cuando las partculas de fluido se desplazan en vrtice

respecto a la lnea de fluido.

Si medimos la presin de velocidad en un barrido por la seccintransversal del ducto, encontraremos que al centro de ste, la presin de

velocidad es cero.

Hay algunas definiciones que usaremos frecuentemente durante el desarrollo de ste

curso, y que repasaremos a continuacin:

Masa: Es la cantidad de sustancia que tiene un cuerpo o que tiene un sistema. Se expresa

en gramos (g) o en Kilos (Kg). Tambin hay unidades ms pequeas que se usan con

frecuencia, tales como el milgramo(mg) o el microgramo(


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Densidad: Es lo que masa la unidad de volumen de un cuerpo, o del sistema en estudio.

Esta definicin tambin se conoce comoDensidad Absoluta. Se expresa encc

go bien,. en

3m

kg. Esta ltima dimensin es la ms usada a nivel industrial. As por ejemplo :

La densidad ( o densidad absoluta) del GLP es de = 23m

kg

La densidad ( o densidad absoluta) del Gas de Ciudad es de = 0,683m

kg.

La densidad ( o densidad absoluta) del Gas Natural es de = 0,63m

kg.

Tambin se usa frecuentemente el concepto de Densidad Relativa para indicar cuantas

veces es ms pesado un sistema que otro, al comparar volmenes iguales de ambos.

Cuando son gases se usa como referencia el aire y cuando son slidos y lquidos se usa de

referencia el agua. Veamos un ejemplo :

Problema 1.-

Cul es la densidad absoluta del aire a 25C y 1 atm?. Suponga comportamiento ideal

PV = nRT =RT

PM=

KmolK

latm

mol

gatm

16,298)

(082,0

)(96,28*1

= 1,18 (l

g)

Problema 2.-

Cul es la densidad absoluta del Metano a 25C y 1 atm?. Suponga comportamiento ideal

PV = nRT =RT

PM=

KmolK

latm

mol

gatm

16,298)

(082,0

)(16*1

= 0,65 (l

g)

Problema 3.-

Cul es la densidad relativa del metano?

r=)/(18,1

)/(65,0

lg

lg= 0,55 (resulta entonces una magnitud adimensional)

Por lo tanto, la densidad absoluta es dimensional y la densidad relativa es

adimensional.


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Problema integrado :

Calcular la densidad relativa y la densidad absolutade una mezcla gaseosa formada por

0,46% Etano(C2H6), 9,14% Propano (C3H8), 30,8% de Isobutano (i-C4H10) y 59,6 % de

Butano Normal(n-C4H10). Las densidades relativas de cada componente son : 1,049, 1,562,

2,064, y 2,091.

Desarrollo

Componente % Tanto x 1 Dens. Relativa Producto

C2H6 0,46 0,0046 1,049 0,004825

C3H8 9,14 0,0914 1,562 0,142767

i-C4H10 30,8 0,3080 2,064 0,635712

n-C4H10 59,6 0,5960 2,091 1,246240

= 2,02954

Por lo tanto, la densidad relativa de la mezcla es de 2,029. Esto significa que la mezcla

masa 2,029 veces lo que masa igual volumen de aire.

La densidad absoluta de la mezcla es de = 2,02954 1,18 (l

g) = 2,4 (

l

g) = 2,4

3m

Kg

CONCEPTO DE PRESION

Es la fuerza ejercida sobre la unidad de superficie

P =Superficie

Fuerza=

2cm

Kg

- La presin de servicio de los gases combustibles se expresa en mm.c.a. De esta forma :

10 mm.c.a. = 12cm

g

A nivel del mar, la presin ejercida por la atmsfera es de 1.0332cm

g, o bien,

1,0332cm

kgy que de acuerdo con la relacin anterior corresponde a :


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1.0332cm

g

g

OHcm

1

1 23

OHcm

acmm

2.1

...10= 10.330 mm.c.a.

TRANSFORMACIONES DE PRESIN

( A. Riquelme Saldaa & H. Soto Nilo)Lb/

psi2Atm.fsica

Piecol.deH2O

InchH2O

Kg/cm2 mm.c.aH2O

Pulgada de Hg

mm.Hg Cm.Hg Bar Milibar(mb)

kPa

1 0.0680 2.310 27.720 0.0700 704 2.043 51.884 5.188 0.0690 68.947 6.895

14.696 1 33.659 407.513 1.0330 10351 30.019 762.480 76.284 1.0130 1013.0101.32

5

0.433 0.0290 1 12.000 0.0300 305 0.884 22.452 2.245 0.0300 29.837 2.984

0.036 0.0025 0.833 1 0.0025 25 0.074 1.871 0.187 0.0025 2.486 0.249

14.233 0.9680 32.867 394.408 1 10018 29.054 737.959 73.796 0.9810 980.662 98.066

1.422 0.0970 3.287 39.370 0.0990 1 2.905 73.796 7.379 0.0980 98.066 9.807

0.489 0.0330 1.131 13.575 0.0340 345 1 25.400 2.540 0.0340 33.753 3.375

0.019 0.0013 0.045 0.534 0.0014 13.6 0.039 1 0.100 0.0010 1.329 0.133

0.193 0.0131 0.445 5.340 0.0140 136 0.393 10.000 1 0.0133 13.290 1.328

14.503 0.9870 33.514 402.164 1.0200 10211 29.625 752.470 75.247 1 1000.0 100.00

0.014 0.0009 0.033 0.402 0.0010 10.2 0.029 0.752 0.075 0.001 1 0.100

0.145 0.0098 0.335 4.021 0.0100 102 0.296 7.525 0.0752 0.010 10.000 1

Conceptos bsicos en dinmica de fluidosPara un sistema gaseoso en trnsito hay dos ecuaciones que nos permiten estudiar

cuantitativamente el comportamiento del fluido:

- La ecuacin de Continuidad ( balance de masa)

- La ecuacin de Bernouilli (balance de presiones)


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ECUACIN DE CONTINUIDAD

En el punto P :1

1

1V

m

= (1)

111111 *** XAVm == (2)

111 * tvX = (3)

Reemplazando ecuacin (3) en (2) resulta:

11111 *** tvAm =

1

1

t

m

= 111 ** vA

Similarmente para el punto Q tendremos:

222

2

2 ** vAt

m=

Si t tiende a cero, entonces elt

m

tiende adt

dm

Si a lo largo del ducto no hay prdida ni ganancia de fluido, entonces :

2

2

1

1

dt

dm

dt

dm=

Conocida como Ecuacin de Continuidad oConservacin de la Masa


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Por lo tanto, volviendo a la ecuacin de continuidad, tenemos :

A1 v11 = A2 v22

El caudal se representa por el producto A v

Q = A v

El volumen especfico es el recproco de la densidad

Vesp =

1 =

.

1

Vesp, por lo tanto

Q

V

m h

m KgCb

KgCb

h

N

N

= =3

3

/

/(Consumo horario )

Se concluye que :

El consumo de combustible en el punto 2, es igual al consumo de combustible en el punto 1,

cuando no existe ganancia ni prdida de fluido entre ellos.

22

11

VeQ

VeQ =


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BALANCE DE PRESIONES (ECUACION DE BERNOULLI)

Consideremos una descarga de gases como se indica en la figura y analicemos el

comportamiento del fluido.

A la salida del hogar, hemos considerado una porcin del volumen del fluido

que pasa por una seccin A1, con presin p1 y velocidad v1. Esta porcin se

encuentra a la distancia y1 desde el nivel de referencia.

En la descarga, el fluido pasa por una seccin A2, con presin p2 y velocidad

v2 . Encontrndose a la distancia y2 respecto del nivel de referencia.

El fluido se mueve por la accin de una fuerza F= p A

El trabajo = F l

= p A l

Por lo tanto, en la salida del hogar, el trabajo realizado por los gases ser :

1 = p1 Al1

En la descarga, el trabajo realizado por los gases ser :

2 = p2 A2 l2


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Para mover al sistema desde la salida del hogar hasta la descarga, el trabajo neto sobre el

sistema ser :

- = p2 A2l2 - p1 A1l1

- = p2 v2 - p1 v1

= m /V V = m /

- = p2 m2 / 2 - p1 m1 / 1

Si no existe un sistema de control asociado que origine ganancia o prdida de fluido, entre la

salida del hogar y descarga de la chimenea, se puede afirmar, que se deber satisfacer

entonces la ecuacin de continuidad.

Por lo tanto :

m1 / 1 = m2 / 2 = m /

- = ( p2 - p1 )* m /

El neto realizado y corresponde a la Energa Mecnica sobre el sistema, por lo tanto :

= Energa mecnica sobre el sistema

= Ec + Ep

= - ( p2 - p1 )* m / = ( * m * v22 - * m * v12 ) + (m *g * y1 - m * g * y2)

m / * ( p1 - p2 ) = * m * v22 - * m * v12 + m *g * y1 - m * g * y2

ordenando y simplificando

p1 + * * v12 + *g * y1 = p2 + * * v22 + * g * y2 = cte.

Si: y = h p + * * v2 + * g * h = Cte.


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Esta ecuacin se conoce como Ecuacin de Bernoulli y es vlida para una lnea de

corriente de un fluido en movimiento.

Hagamos un anlisis dimensional en la ecuacin de continuidad:

p + * * v2 + * g * y = cte.

atm +Kg

m

m

s3

2

2* +

kg

m

m

sm

3 2* *

atm +Kg

m s* 2+

Kg

m s* 2

pero :

presin =F

A

m a

A

Kgm

s

m

Kg

m s= = =

**

*

2

2 2

pL + v2 + g h = cte.

siendo pL = la presin en una determinada lnea de fluido

Si la velocidad es cero, entonces se anula el trmino Presin Dinmica

representado por:

El resto de la ecuacin :

pL + g h = cte.

p1 + g h1 = p2 + g h2

( p2 - p1 ) = g ( h2 - h1 )

por lo tanto, la ecuacin de Bernouilli corresponde a un balance depresiones.

Presin Dinmica = v2

Presin Esttica p = g h


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A) Apliquemos la Ecuacin de Bernoulli al Tubo Pitot.

p1 +* * v12 + * g * h1 = p2 + * * v22 + * g * h2

Dado que en el punto P2 se produce un estancamiento, por lo cual v2 = 0 y como se est trabajando

sobre una misma lnea de accin entonces h1 = h2 :

p1 + * * v12 = p2

v12 = 2*( p2 - p1 ) /

v12 = 2*p /

pero =Ps Mw

R Ts

*

*

p = presin de velocidad en el ducto ( mm.c.a.)

donde Ps = presin absoluta en el ducto de chimenea

Mw = peso molecular del gas de chimenea, como hmedos.

Ts = temperatura absoluta de la chimenea.

luego

v12 =

2 *

*

*

pPs Mw

R Ts

=2 * * *

*

R Ts p

Ps Mw

v1 = 2 * R *Ts p

Ps Mw

*

*

v1 = Kp *Ts p

Ps Mw

*

*


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Si en lugar de un Pitot Estndar se usa un Pitot Tipo L, es decir con coeficiente Cp, se tendr :

siendo Kp una constante que hace dimensionalmente compatible a esta ecuacin.

Ps = Presin absoluta ( mm.Hg)

CONCEPTO DE PRESIN ABSOLUTA Y PRESIN MANOMTRICA

La presin se define como la fuerza por unidad de rea. Muchas medidas de presin toman a

la presin atmosfrica como referencia. De esta forma, todas las presiones medidas sobre la

atmosfrica son consideradas como presiones positivas y las presiones bajo atmosfrica son

consideradas como negativa.

La presin absoluta resultara entonces como la suma algebraica entre la presin atmosfrica

y manomtrica

Donde :

Pabs = es la presin absoluta

Patm = es la presin atmosfrica o baromtrica

Pabs = Patm + Pm

v = Kp * Cp*Ts p

Ps Mw

*

*


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Pm = es la medida de presin manomtrica

CONCEPTO DE PRESION DE VELOCIDAD

La presin de velocidad que tiene un fluido en un ducto, corresponde a la diferencia entre la

presin totaly la presin esttica, como se demuestra en la siguiente figura :


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La presin de velocidad se expresa por:

COMBUSTIN

ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTIONCuando se lleva a efecto una reaccin de combustin, se genera CO2 (g), H2O (v) Calor y

Luz. La reaccin qumica terico la podemos representar por:

los productos de esta reaccin son todos gaseosos y emergen desde la cmara de humos a

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

como ideales.

Para el Organismo Fiscalizador Chileno, las condiciones estndar son a 25C y 1,0 atm. Por

lo tanto, el volumen molar de la mezcla ser

Vm = atm

KKmollatm

P

TR

1

16,298*)/(082,0

= = 24,45 ( l / mol)

El factor ms importante en la estequiometra de la combustin la presenta la composicin

centesimal del combustible, cuyos valores los reportamos en la siguiente tabla:

Composicin centesimal promedio de los combustibles usados en Chile

GLP Biogas G.Natura P.#6 P.#5 Diesel Parafina Lea Carbn

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

%H 19 8,60 23,2 10,6 12 13,1 13,6 5,6 5,6

%O 0,0 46,8 0,0 0,1 0,1 0,0 0,0 43,5 11,8

%N 0,0 15,1 0,8 0,1 0,1 0,0 0,0 0,01 1,3

%S 0,01 0,0 0,02 2 1,7 0,6 0,6 0,08 1,7

P = PP - PSP = Presin de velocidad en el punto PPP = Presin total en el punto PPS = Presin esttica en el punto S

CxHy + ( x+y/4) O2 = x CO2 + (y/2) H2O +Q + Luz


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Baja

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As, para cualquier combustible consideraremos las siguientes representaciones:

% Carbono = C % Oxgeno = O % Azufre = S

% Hidrgeno = H % Nitrgeno = N

Los xidos de nitrgenos (NOx) se forman en el frente de llama, es decir donde latemperatura alcanza valores puntuales de aproximadamente 2000 C. Estas temperaturastan elevadas se presentan en los puntos de explosin. Es decir, al atomizarse elcombustible (una partcula de combustible rodeada totalmente por aire), explota comoconsecuencia del calor generado por el frente de llama. Este punto de explosin generatemperaturas tan elevadas que favorecen la formacin de xido ntrico (NO). Posteriormentecuando los gases de escape abandonan la cmara de combustin se van enfriando, yformndose los (NO2)(D.J.Patterson & N.A.Henein. Emissions from Combustion Engines and their control. Texto, Ann.Arbor Science

Publisher Inc., p 100 (3) 1074.


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ControlyNorm

ativadeGasenMediay

BajaPresin

Profesores:HernnSotoNilo

AlejandroR

iquelmeSaldaa

A. Balance estequiomtrico para el O2:

Supongamos que el combustible (Cb) contiene C (% de Carbono).

Al respecto:

C + O2 CO2

CbKg1

Cbgr1000

Odelt1000

Odem1

Odemol1

Odelt24,45

Cdemol1

Odemol1

Cdegr12

Cdemol1

Cbgr100

CdegrC

2

2

3

2

22

=

Kgcb

NdeOm 23

12

C0.2445

Como el aire contiene 21 % en volumen de oxgeno, se puede determinar la cantidad de aire

estequiomtrica necesario para combustionar los C gr de Carbono.

As :

Kgcb

Nairem

Kgcb

NdeOxigenom 3

12

C1.164

Oxgenom0.21

Airem13

12

C0.2445

3

N

3

N

=

Esto significa que para combustionar totalmente el carbono contenido en el 1 kgcombustible, se requieren de 0,2445 * ( C / 12 ) m3N de Oxgeno puro 1,164

*(C / 12) m3N Aire

B.-Cuando la combustin es completa, tambin se puede evaluar el CO2 mximo

desprendido. As:

C + O2 CO2

CbKg1

Cbgr1000

COdelt1000

COdem1

COdemol1

COdelt24,45

Cdemol1

COdemol1

Cdegr12

Cdemol1

Cbgr100

Cdegr

2

2

3

2

22 C

( )CbKgCO2dem12

C0.2445 3N

=


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ControlyNorm

ativadeGasenMediay

BajaPresin


AlejandroR

iquelmeSaldaa

C.- De forma similar, si H es el porcentaje de H contenido en el combustible, entonces la

cantidad de oxgeno necesario para combustionar todo el hidrgeno ser :

2H + 0,5 O2 H2O

basados en la misma ecuacin anterior, podemos determinar estequiomtricamente la

cantidad de agua ( al estado de vapor) que se formara durante la combustin completa del H

contenido en el combustible:

CbKg1

Cbgr1000

)(Hdelt1000

)(Hdem1

)(Hdemol1

O(v)Hdelt24,45

Hdetomos2

O(v)Hdemol1

Hdegr1

Hdetomo1

Cbgr100

Hdegr

2

2

3

2

22 vO

vO

vO

H

( )CbKgO(v)Hdem2

H0.2445 2

3

N

=

D.- Las reacciones de combustin para Azufre (S), Nitrgeno(N) y Oxgeno (O) del

combustible las podemos presentar por las siguientes ecuaciones:

S + O2 SO2N + O2 NO2

O + (1/2) O2 O2

Cuyos balances para oxgeno seran respectivamente :

Para Nitrgeno: 0,2445 x ( N / 14 ) ..........( m3N Oxig / Kg cb )

Para Azufre : 0,2445 x ( S / 32 ) ........... ( m3N Oxig / Kg cb )

Para Oxgeno: (-) 0,2445 x ( O / 32 ) .......( m3N Oxig / Kg cb )

como estamos realizando el balance referido al Oxgeno requerido para combustionar 1 kg

de combustible, debemos restar el oxgeno propio del combustible.

Podemos obtener entonces la ecuacin general para el Oxgeno Estequiomtrico (Oest) y

para el Aire estequiomtrico (Aest).


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Oest = 0,2445 x [ C/12 + H / 4 + S / 32 + N / 14 - O / 32 ] ( m3N Oxig / Kg Cb )

A est = 1,162 x [ C/12 + H/4 + S / 32 + N / 14 - O / 32 ] (m3NAire/Kg Cb)

El aire estequiomtrico (o terico) corresponde a la cantidad mnima necesaria para que en

una fuente de combustin se produzca el encendido de la mezcla combustible. Sin

embargo, esta cantidad de aire no tiene la capacidad de mantener la llama, por ser

estequiomtrica o terica.

El aire estequiomtrico se expresa por:

Aest. = Oest. + Nest.

En resumen, los gases de escape estarn formados por:

CO2 = 0,2445 x (C /12) (m3N / kg Cb)

SO2 = 0,2445 x (S /32) (m3N / kg Cb)

NO2 = 0,2445 x (N /14) (m3N / kg Cb)

H2O = 0,2445 x (H /2 ) (m3N / kg Cb)

Nest. = Aest. - Oest = 0,79Aest (m3N / kg Cb)

La sumade estos productos, nos entregan los gases de escape estequiomtricos hmedos,

que abandonan la cmara de humos(GEH)

GEH= 0,2445 [ C/12 + H/2 + S/32 + N/14] + 0,79Aest ( m3

N / kg Cb)

Pero recordemos que Aest =1,162 x [ C/12 + H/4 + S / 32 + N / 14 - O / 32 ].

Puesto que la humedad es sensiblemente variable, los Organismos Internacionales prefieren

referir los clculos de combustin a base seca. Por lo tanto debemos restar la produccin de

agua.


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GES = GEH - 0,2445 ( H / 2 ) ( m3N / kg Cb )

Con el propsito de mantener encendida la llama en el hogar, es necesario adicionar una

cantidad de aire mayor que la terica. De esta forma si miramos la ecuacin de combustin

como una ecuacin qumica, entonces el equilibrio lo desplazaremos hacia los productos de

la reaccin. Esta cantidad de exceso de aire est perfectamente controlada por el

Organismo Fiscalizador a travs del Decreto Supremo N 322 de 1993 que de acuerdo al

mtodo 3B de la EPA es:

0,5%CO2%O20,264%N

0,5%CO2%O%AE+

=

La razn por la cual se controla este exceso es para evitar:

a.- La dilucin en la concentracin de cualquier contaminante que se mida, principalmente

material particulado.

b.- Evitar las malas combustiones, porque el exceso de aire enfra el hogar de la fuente, la

combustin se hace incompleta y se genera monxido CO.

c.- Sabemos que N2 del aire no interviene en la reaccin de combustin, sin embargo, saca

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

S el aire se encuentra en exceso, el nitrgeno ser mucho mayor y tambin ser mayor la

cantidad de calor que se pierde en los gases de escape.

Esto se traduce como una prdida de dinero por parte de los usuarios de la fuente.El aire en exceso se pondera por la expresin llamada " Relacin de Aire "

Relacin de aire =iomtricoAireEstequ

alAireRe

= Areal / Aest.


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Entonces, los gases reales hmedos los podemos considerar como:

GRH = GEH + Aire exceso

A exceso = Areal - Aest

A exceso = *Aest - Aest

A exceso = Aest ( - 1)

reemplazando tenemos:

GRH = GEH + ( - 1 )Aest

A modo de satisfacer las normativas internacionales, que recomiendan referir la medida en

base seca, es necesario referir los resultados a los Gases Reales Secos(GRS), conocidos

tambin como Volumen Especfico. Este ltimo parmetro reviste gran inters para los

laboratorios de medicin ya que a partir de l, se determina el consumo de una fuente a la

plena carga.

Concepto de plena carga : Es la condicin de mxima que puede tomar una fuente, sin

importar el proceso involucrado y resguardando slo los parmetros de seguridad

estipulados por el fabricante. A esta condicin se supone que todos los parmetros de la

fuente son perfectamente conocidos y dados en la placa de la misma ( de aqu la importancia

que tiene la placa)

Fsicamente, La Plena Cargase refiere al consumo mximo de combustible

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


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Potencia nominal (kcal/h)= Consumo Combustible(kg cb/h) PCS (kcal/kg cb)

la siguiente tabla nos muestra el % AE mximo permitido por D.S. 322 y los correspondientesvalores de recomendados, para cada combustible.

GLP Biogas G.Natura P.N6 P.N5 Diesel Parafina Lea Carbn

%AE (mp) 5,0 5,0 5,0 50,0 40,0 20,0 20,0 150,0 100,0

1,05 1,05 1,05 1,5 1,4 1,2 1,2 2,5 2,0

En resumen, las principales ecuaciones asociadas a la combustin estequiomtrica son:

Oest = 0,2445 * ( C/12 + H/4 + N/14 + S/32 - O/32) ( m3N / kg Cb)

Aest = 1,162 * ( C/12 + H/4 + N/14 + S/32 - O/32) (m3N / kg Cb)

GEH = 0,2445 * ( C/12 + H/2 + N/14 + S/32 ) + 0,79 * Aest (m3N / kg Cb)

GES = GEH - 0,2445 * (H/ 2 ) (m3N / kg Cb)

GRH = GEH + ( - 1 ) * Aest (m3N / kg Cb)

GRS = Ve = GRH - 0,2445 * (H / 2 ) (m3N / kg Cb)

Otros parmetros de gran inters y utilidad para la realizacin de clculos asociados con lacombustin es el conocer el peso molecular del gas como seco y hmedo. Ambosparmetros sern tratados en detalle en el mdulo 3. Sin embargo, sin entrar en el detalle,pueden ser evaluados a partir del Nomograma de la EPA. Adems, a partir de los valoresentregados por el Nomograma, podemos conocer la fraccin molar del gas seco y la fraccinmolar de humedad que acompaan a los gases de acuerdo con las ecuaciones :

GRS ( Ve ) = GRH - 0,2445 ( H / 2 )

Xgs =)18(

)18(

DM

Mw


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El porcentaje de humedad que contiene los gases de escape ser:

Xh = (1-Xgs)

% h = 100Xh


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Problema de aplicacin:Se midi un calefon de potencia calrica 22 Kw, de un determinado departamento, laemisin de monxido CO result ser de 14 ppm, el CO2 encontrado fue de 7 % y el de O2de 8,6 %. Si la temperatura de los gases de escape resultaron ser de150 C ( 423,16 K)y

el calefon usa GLP como combustible ( PC : 22400 kcal/m3N). Determine todos losparmetros estequiomtricos de combustin, si las condiciones ambientales fueron de 15 C( 288,16K) y 716 mm Hg.( 0,942 atm )

CO = 14 ppm = 0,0014 %CO2 = 7 %

O2 = 8,6 % =)21(

21

2O= 69,1

)6,821(

21=

N2 = 100 ( CO + CO2 +O2 ) = 100 ( 0,0014 + 7+6,8)) = 84,4 %

MD = =Mixi 0,0014*28+0,07*44+0,086*32+0,844*28 = 29,5 (g/mol)Oest = 0,2445 (81/12+19/4+0,01/32) = 2,81 (m3N/kg cb)Aest = 1,162(81/12+19/4+0,01/32) = 13,39 (m3N/kg cb)GEH = 0,2445 (81/12+19/2 +0,01/32) +0,79 * 13,39 = 14,55 (m3N/kg cb)GES= 13,36-0,2445*19/2) = 12,22(m3N/kgcb)GRH = GEH + ( - 1 ) * Aest = 12,23 + (1,69-1)13,39 = 23,8 (m3N/kg cb)GRS = Ve = 37,12-0,2445*(19/2) = 21,5 (m3N/kg cb)

De la ecuacin de estado de los gases PV = n RT, donde n representa el nmero de moles :n = (g / M ) al reemplazar tendramos: PV = (a/M) *RT. Ordenando y haciendo (a/V) = , en

= (PM/RT) en ( g/l)

aire = (PM/RT) = (0,94 atm 28,96(g/mol) / 0,082(atl/Kmol) 288,16K = 1,15 ( g/l)

Usando el Nomograma de la EPA tendremos :

MD = 29,5 (g/mol)Mw = 28,2 (g/mol)

Xgs = 886,0)185,29(

)182,28(

)18

)18(=

=

MD

Mw

Xh = 1-0,886 = 0,113

% H2O en los gases escape = 11,3 %

gh =TgR

MwP

*

*= 0,94 atm * 28,2 (g/mol) / 0,082(atm*l/kmol) *423,16 = 0,764 (g/L)

Esta diferencia de densidad o gravedad especfica entre los gases de escape y el aireambiente nos sirve para evaluar el tiraje de la chimenea. Un parmetro de gran inters, yaque nos informa de la fuerza con la cual son evacuados los gases productos de la


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combustin. Si el tiro de una chimenea es muy bajo, significa que los gases de escape enlugar de ser sacados del sistema, estn siendo acumulados lo que constituye un peligro. Porel contrario, si el tiro de chimenea es muy grande (forzado),estamos sacando el calorgenerado por el combustible, y botndolo a la atmsfera. Por lo tanto, debemos regularadecuadamente el tiro de la chimenea.

CONCEPTO DE TIRAJE ( DRAFT)

El trmino tiraje comnmente se usa para designar la depresin que se origina por la

diferencia de densidad en el hogar o en el ducto de evacuacinde gases de escape de

una chimenea En la prctica existen 4 categoras de Tiraje : Tiro forzado, Tiro inducido,

Tiro natural y Tiro balanceado.

Tiro Forzado

Se tiene cuando el flujo de gases en la fuente se mantiene a una presin superior

a la atmosfrica. Esta situacin se produce con el uso de un ventilador forzado.


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Tiro Inducido

Se tiene este tipo de tiraje cuando el flujo de gases se desplaza bajo la influencia de un

decrecimiento progresivo en la presin atmosfrica dentro del hogar. Esta operacin se

produce con el apoyo de un ventilador inducido.

Tiro Natural

Es la depresin que se produce en los gases de escape, causada por la variacin de

densidades entre los gases calientes y el aire ambiente. Lo anterior conlleva a una presin

negativa ( depresin) o Tiro natural.


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TIRO BALANCEADO

Se tiene esta situacin cuando la fuerza con la cual es gas de escape abandona a la fuente,

es similar a la fuerza con la cual la fuente aspira el aire primario.

Desde el punto de vista fsico, el tiro de chimenea es un parmetro de presin pero,

fsicamente representa una presin negativa, respecto a la presin atmosfrica. Existen

varias ecuaciones propuestas en la literatura para evaluar el tiraje de una chimenea, pero la

que mejores resultados entrega, al comparar con valores experimentales, es la propuesta por

el autor C. Rumor-G.Strohmenger en su texto sobre Calefaccin, Ventilacin,

Acondicionamiento e Instalaciones Sanitarias, y que se reporta a continuacin:

- h ( metros ) : representa la altura del ducto que evacua los gases

- densidad del lquido manomtrico : se refiere a la densidad del agua a la temperatura

promedio (Ta y Tg) en(kg/m3). As, para un promedio de 67 C, la densidad del agua es

de = 980 (Kg/m3)

- El factor46,4: es el parmetro que hace dimensionalmente compatible la identidad

- Ta y Tg : las temperaturas absolutas del aire y de los gases escape ( K)respectivamente.

- Tiraje : se deber expresar en centmetros de columna de agua.

- Pb: presin baromtrica en mm.Hg

La altura h =)

11(**4,46

.).(*

TgTaPb

manomliqdensidadTiraje


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Recordemos que :

1cm.c.a. = 10 mm.c.a.

1mm.c.a. = 10 Pa

En todo caso, para determinar el Tiraje en la chimenea , se requiere conocer previamente la

altura del ductopero como no tenemos los datos suficientes, recurriremos al balance de calor

y a travs de ste parmetro podremos evaluar la altura del ducto.

La placa nos informa que la potencia calrica promedio del calefon es de 22KWPor lo tanto podemos estimar el consumo horario:

22 Kw Kw

h

Mcal

16,1

1

Mcal

kcal

1

1000

Kcal

cbm

400.22

1 3

cbm

Kgcb31

8,1= 1,767

h

Kgcb

Con el GRh visto anteriormente ( = 23,78 m3 ge/kgcb) podemos conocer el Caudal

Normalizado de los gases de escape, sabiendo que el rea del collarn es de 9,510 -3 ( m2),

es decir, 11 cm de dimetro.

23,78Kgcb

geNm3 1,767

h

kgcb= 41,85

h

geNm3, pero este caudal est Normalizado y lo

necesitamos como medido :

222

111

TQP

TQP = , reemplazando :

16,29885,41*1

16,4231*942,0 =Q

Q1(como medido) = 63h

gem3


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Q1 = vg * Area collarn

Vg =0095,0

63= 6637,5

h

m*

s

h

3600

1= 1,84

s

m

Ahora que conocemos la velocidad podemos calcular el :Coeficiente de transferencia de

calor ( RUMOR, texto, p 118)

= 2 + 10 v = 2 + 10* 84,1 = 15,58Chm

kcal

2

Area transferencia = 2 rh = 2 (5,5/100)h = 0,3455 h ( m2)

El calor que se pierde a lo largo del ducto ser :

-q = 15,58 0,3455h135 = 726,6 *hhr

Kcal

El calor que llevan los gases de escape ( Asumiendo como N 2) es de

Q (transportan los gases) = 0,314*tge (Cgem

kcal

3)

0,314 * 150 = 47,1gem

Kcal3

, como conocemos el caudal medido = 63hgem3

47,1gem

Kcal3

*63h

gem3= 2967

h

Kcal

Por lo tanto, igualando ambos flujos podemos evaluar la altura mxima que debera tener el

ducto y que provocara el estancamiento de los gases.

726,6 *hh

Kcal= 2967

h

Kcal

h = 4,0 m


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Ahora que conocemos la altura, podemos calcular el tiraje de acuerdo a la ecuacin

entregada por propuesta por RUMOR

La altura h = )11(**4,46

.).(*

TgTaPb

manomliqdensidadTiraje

4 =)

16,288

1

16,423

1(716*4,46

3980*

m

KgT

T = -0,15 cm.c.a. =- 1,5 mm.c.a.=-15 Pa

Otra ecuacin conocida como ecuacin de recurrencia, nos permite estimartambin el

tirajeT = - )(* gasesah en mm.c.a.

T = -4 *(1,15-0,764)= 1,544 mm.c.a.

T = -1,544 mm.c.a. ...1

10

acmm

Pa= -15,44 Pa

Este valor es perfectamente comparable al obtenido por la ecuacin RUMOR.

La normativa establece que , para un calefon que descarga sus gases a un shaft, la altura

mnima del ducto secundario sea de 1 m. Cul sera el tiraje si se mantienen las

condiciones del problema anterior?

T = - )(* gasesah ( en mm.c.a.)

T = - )764,015,1(*1 = - 0,386 mm.c.a.

T = - 0,386 mm.c.a. = - 3,86 Pa

Valor que satisface a la Resolucin 768. Art.4.1, que establece que un buen funcionamiento

del shaft debe tener un tiraje - 2 Pa.

Por otra parte, tambin se puede hacer una estimacin acerca de la velocidad de los humos

( gases de escape), mediante la ecuacin :


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El parmetro k es un factor de correccin por roce. As, para latn es 0,6 y para concreto y

ladrillo es de 0,45.

Si aplicamos esta ecuacin al problema anterior, podemos predecir aproximadamente la

temperatura de los humos

V = 0,27 k )( tathh (m/s)

V = 0,27 *0,6 * )15150(*1

V = 1,8 (m/s)

Habamos calculado anteriormente 1,8 (m/s). Lo importante es comprender que stos

valores son muy variables en un sistema real donde hay roce, prdida calrica, donde hay

carencia de verticalidad de los ductos, tipo de materiales diferentes, combustiones de

calefones deficientes, ( alejadas de lo terico), infiltraciones de aires parsitos que nos

cambian las condiciones del gas de escape, etc, etc.

De la ecuacin de continuidad ( balance de masa) podemos calcular el consumo de

combustible, y le llamaremos Consumo Calculado ( CC ):

QN = Se refiere al caudal de los humos en base saca y referidos a 25C y 1 AtmVesp = Se refiere al volumen real de los gases de escape, en base seca, y tambin

referido a 25C 1 atm.

V = 0,27 k )( tathh (m/s)

CC =Vesp

QN


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Si hacemos un anlisis dimensional de sta ecuacin:

Lo que representa el consumo msico de combustible de la fuente problema. Al conocer la

densidad del combustible, podemos evaluar el consumo volumtrico.

En el caudal que estamos considerando Qn, se refiere al caudal de los gases de escape

referidos a 25C y 1 atm, pero debemos corregirlo por Aire en Exceso. Es decir, sabemos

que de acuerdo al D.S. 322 de 1993, se fijaron para todas las combustiones, el porcentaje

mximo de aire en exceso permitido. El factor de correccin del caudal ser :

Recordemos que = 1,69. Por lo tanto, el %AE medido = ( -1)*100 = (1,69-1)*100 = 69%

-El exceso de aire mximo permitido por D.S 322 = 5 %

Fc = 6,15100

69100

.mx%100

%100=

++

=+

+permitidAE

AEmedido

QNC =Fc

QN =6,1

85,41= 26,15

h

NCm3

Vesp = 21,5kgcb

Nm3

CC =5,21

15,26= 1,2

h

kgcb

CC = 1,2h

kgcb*

kgcb

cbm

8,1

31= 0,67

h

cbm3

CC =Vesp

QN =

kgcb

Ngem

h

Ngem

3

3

=h

kgcb


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El valor nominal nos informa :

22 Kw Kw

h

Mcal

16,1

1

Mcal

kcal

1

1000 Kcal

cbm

400.22

1 3 =0,846h

cbm3

La Normativa establece que las mediciones deben ser realizadas a Plena Carga

o diferir de ella en un 20% como mximo. Es decir, ser coherente en un 80%.

Plena Carga = 100*846,0

67,0= 80%

Por lo tanto se satisface la Normativa.

Todas estas combustiones de calefones, cocinas, estufas etc. que se realizan directamenteal aire y sin que exista -de por medio- un ventilador forzado o un ventilador inducido, se lesdenomina combustiones atmosfricas. Por lo tanto son combustiones que se realizan conun gran exceso de aire y sus emisiones salen diluidas. Lo anterior conlleva a suponer quela carga de contaminantes que se emiten es baja, sin embargo, cuando se les mide en masa,generalmente los valores obtenidos sobrepasan la normativa. Esto conllev a que el SESMAcorrigiera las emisiones proveniente de ste tipo de fuentes y para ello fij por decreto ( D.S.322 de 1993 ) los excesos de aire mximos permitidos para todos los combustibles. Sinembargo, y de acuerdo con nuestro inters, todos los gases combustibles se les acepta pornorma y decreto un 5 % de aire en exceso. Si la fuente supera ste valor, sus resultados deemisiones, debern ser corregidos poraire en excesode acuerdo a la siguiente ecuacin:

Fc =permitidAE

AEmedido

.mx%100

%100

++

Recordemos que = 1,484% AE medido = 100 ( -1) = 100 (1,484-1) = 48,4 %

Fc =5100

4,48100

++

= 1,41

CO corregido = Fc CO medido

CO corregido = 1,41 14 ppm = 19,74 ppm.

Por lo tanto podemos calcular el CO corregido, correspondiente a la emisin deCO a nivel del hogar, es decir el que realmente se produce:


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ControlyNorm

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BajaPresin


AlejandroR

iquelmeSaldaa

Recordemos que la Normativa establece que el sello que deber tener el calefon es funcindel CO corregido

Si el CO corregido est comprendido entre

1.- 0 y 400 ppm .Aceptable ( sello verde )2.- 401 y 1000 ppm . Reparacin ( sello amarillo )3.- Superior a 1000 . Rechazado ( sello rojo)

Con relacin al total de combustible quemado por el artefacto, no todo se transforma enenerga til, siempre hay un porcentaje que se pierde como energa no utilizada, ya que setrata de procesos reales y no ideales.

Si el consumo calculado fue de: 0,67h

cbm3

Potencia Total Generada ser:PTG = 0,67

h

cbm3 22400

cbm

Kcal3

= 15008 (Kcal/h)

Si esta cantidad de (Kcal/h) se transformara totalmente en energa til, el rendimiento seradel 100%. Sin embargo, cada componente de los gases de escape ( CO2, NOx, CO, SO2,H2O(v), N2 y O2) saca calor sensible CpdT, que aport el combustible, para ser botado enel ambiente. Este anlisis conlleva a conocer el rendimiento del proceso.

La siguiente tabla nos informa del calor sensible (Kcal/m3) a diferentes temperaturas quesacan los componentes de los gases de escape.

CALORES SENSIBLES (Kcal/m3)Temperatura 100C 200C 300C 400C

N2 32 62 94 126O2 31 64 97 132

H2O 35 72 110 149CO2 42 86 134 184SO2 45 93 143 194

Como el N2 es el gas que mayoritariamente se presenta, se podra considerar que es elnico responsable del calor perdido. Por lo tanto, el balance lo realizaremos slo como N2. Al

respecto tenemos de la tabla anterior los siguientes valores :

Temperatura/C = 0 100 200 300 400Cp(Kcal/m3) = 0 32 62 94 126

Si graficamos Cp vs. tC obtenemos la siguiente ecuacin :

Cp(kcal/m3) = 0,314 tgases C


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El calor transportado por los gases de escape es :

gem

Kcal

3= 0,314 150 = 47,1

Pero se conoce en caudal de los gases de escape ( como medido) : 63 h

gem3

, entonces :

47,1gem

Kcal

3*63

h

gem3= 2967,3

h

kcal

Esto es como calor no aprovechado.

El consumo de combustible es de 0,67 (m3cb/h), por lo tanto :

0,67 h

cbm3

* cbm

kcal

3

22400

= 15008 h

Kcal

% calor perdido por los gases=: %7,19100*17472

2964=

% calor aprovechado = 80,2%

Esto es lo que reporta el equipo TESTO 300 XL como rendimiento, es decir, el caloraprovechadoo transferido al cuerpo de agua del calefn.

CALIDAD DE UNA COMBUSTION

La calidad de una combustin se determina por el porcentaje de CO2 desprendido durante elproceso. Sabiendo que las condiciones de borde son:

a.- La combustin perfecta o ideal, donde el CO2 desprendido (en masa) ser elCO2 mximo terico, lo cual vendr caracterizado para cada combustible de acuerdo asu composicin centesimal y para un = 1

b.- La otra condicin de borde ser el valor cero, lo que significara una combustinnula, (no hay combustin).

El porcentaje de CO2 mximo que tienen los humos, podr ser medido en base seca oen base hmeda

)KgCb/2

CO3N

m(

/KgCb)2

CO3N

(m

GES

100*)C/12(*0,2445(b.seca)mx.T2CO% =


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)KgCb/2

CO3N

m(

/KgCb)2

CO3N

(m

GEH

100*)C/12(*0,2445(b.hmeda)mx.T2CO% =

En todos los casos en que se mencione la palabra terico significa queel = 1

Si el clculo est referido a las condiciones reales, lo que significa > 1, se tendrel % CO2 mximo real, el que puede ser en base seca y hmeda respectivamente.

Problema :

Determine los porcentajes de CO2 mx.T y CO2 mx.R en base seca y hmedarespectivamente, para la combustin de 1 kg. Gas Natural, si los gases de escape acusaronla presencia de 10 % O2. Considere que la composicin centesimal del combustible es deC = 76%; H = 23,2 %; O = 0,0 %; N = 0,8 % y S = 0,02 %

A trico = 14,19Kgcb

Nm3

GEh = 15,6Kgcb

Nm3

GEs = 12,77Kgcb

Nm3

GRh = 28,51Kgcb

Nm3

GRs = 25,67Kgcb

Nm3

Los porcentajes de CO2 mximo tericos sern:

% CO2 mx.T. (b.s.) = 100 *77,12

)12

76(*2445,0

= 12,12 %

% CO2 mx.T. (b.h ) = 100 *6,15

)12

76(*2445,0

= 9,93 %

Para los gases reales debemos calcular la relacin de aire


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= 21 / ( 21-O2 medido ) = 21 / ( 21-10 ) = 1,90

% CO2 mx.R ( bs ) = %CO2 m.t(b.h.)/ = 12,12/ 1,9 = 6,37 %

% CO2 mx.R ( bh) = % CO2 mt(b.s.)/ = 9,93 / 1,9 = 5,22 %

Qu relacin existe entre CO2mx.T / CO2mx.R ?

De acuerdo a lo calculado en el problema anterior podemos hacer el cuociente:

( CO2 mx.T / CO2 mx.R ) = 12,12 / 6,37= 1,9 =

CO2mx.T = CO2 mx.R

Por lo tanto, existirn dos tipos de rendimiento que ocupan al CO 2 en su definicin. Alrespecto tenemos:CO2 mx.T = es el valor del CO2 mximo obtenido al quemar estequiomtricamente elcombustible, es decir, sin exceso de aire.

CO2 mx.R = es el valor del CO2 mximo obtenido al quemar el combustible con aire enexceso, es decir, con Aire real, tal como ocurre en los procesos industriales.

CO2 med. = es el % CO2 medido en el puerto de muestreo a las condiciones de

operacin de la fuente.

1)(mx.T2CO

med.2CO*100combustinladeoRendimient=

==

c

1)mx.R2

CO

med.2CO*100quemadodeoRendimient>

==

(

q

Si hacemos el cuociente entre ellos tendremos:

1

mx.T2CO

mx.R2CO

q

c

quemadodeoRendimient

combustindeoRendimient===


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LA RELACIN AIRE / COMBUSTIBLE

(RAC)

Todos los combustibles necesitan satisfacer una cierta RAC para ser quemados.RAC = masa de aire/masa de combustibleRAC = Aest * aire

siendo aire (25C, 1atm) = 1,18 (Kg aire/m3aire)N

La siguiente tabla muestra la RAC ideal para los diferentes combustibles:

TIPO DE COMBUSTIBLE

G.L.P GasCiudad

GasNatural

F.O.6 F.O.5 F.O.2 lea CarbnBitum.

kerosene

RAC 15,74 5,78 16,69 13,58 14,01 14,35 5,20 9,85 14,48

q = c *


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PODER CALORFICO DE COMBUSTIBLES

Se define Poder Calorfico como : Es el calor obtenido por la combustin estequiomtrica de

un Kg de combustible, cuando los pr

gas+en+media+y+baja+presion

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