temas selectos de ingenieria termica

8/17/2019 Temas selectos de Ingenieria Termica

1/475

TCCO

José Luis Hernández Quisbert


2/475


3/475

Temas Selectos de Ingeniería Térmica


2014


4/475

Editorial 2014

1ª edición

ISBN:

Impreso en Bolivia / Printed in Bolivia

Impreso por


5/475


6/475


7/475

Índice

Prefacio .................................................................................................................................... 1

LISTADO DE TABLAS ..................................................................................................... 3

LISTADO DE FIGURAS ................................................................................................. 5

LISTADO DE REFERENCIAS .................................................................................. 11

1.

Combustibles y Combustión ................................................................................ 13

1.1. La naturaleza de la Combustión ....................................................... 13

1.1. Propiedades Físico - Químicas de los Combustibles ...................... 30

1.1.1. Propiedades de los Combustibles Sólidos ................................... 30

1.1.2. Propiedades de los Combustibles Líquidos ............................. 33

1.1.3. Octanaje y Cetanaje de los Combustibles ................................ 45

1.1.4. Propiedades de los Combustibles Gaseosos ............................ 50

1.2. Combustión Estequiométrica ........................................................... 54

1.3. Combustión con Exceso y Defecto de Aire ..................................... 57

2. Termodinámica de la Combustión..................................................................... 63

2.1. Calor de Combustión ......................................................................... 63

2.2. Primera Ley aplicada al Proceso de Combustión ............................ 69

2.3. Entalpía de Formación ...................................................................... 70

2.4. Poder Calorífico Superior de un Combustible ................................. 73

2.5. Poder Calorífico Inferior de un Combustible .................................. 79

2.6. Temperatura de Flama Adiabática ................................................... 84

2.7. Influencia de la Altitud en la Combustión ....................................... 89


8/475

3. Contaminación Ambiental por Efecto de la Combustión ........................... 99

3.1. Contaminación Industrial ............................................................... 107

3.2. Analizadores de Gases de Emisión ................................................. 119

3.3. Limpieza de Gases Industriales ...................................................... 128

4. Quemadores ............................................................................................................133

4.1. Quemadores de Combustibles Gaseosos ....................................... 133

4.1.1. Clasificación de los Quemadores ............................................ 1354.1.2. Parámetros de Diseño de un Quemador Atmosférico. .......... 138

4.1.4. Geometría del Quemador Atmosférico ................................... 147

4.2. Diseño de Quemadores de Tiro Forzado ....................................... 152

4.2.1. Determinación del diámetro del Inyector .............................. 154

4.3. Ventiladores y Turbosopladores de Quemadores ......................... 155

4.3.1. Clasificación de Ventiladores .................................................. 160

4.3.2. Potencia de un Ventilador ....................................................... 161

4.3.3. Medición de la Presión y Velocidad en un Ventilador .......... 163

4.3.4. Potencia requerida de un Ventilador ...................................... 165

4.4. Quemadores de Combustibles Líquidos ........................................ 165

4.4.1. Quemadores de Vaporización o Gasificación ........................ 166

4.4.2. Quemadores de Emulsión ....................................................... 167

4.4.3. Quemadores de Pulverización por Fluido Auxiliar ............... 168

4.4.4. Quemador de Pulverización Mecánica Centrífugo ............... 169

4.4.5. Quemadores Pulverización Mecánica por Presión Directa .. 170

4.5. Quemadores de Combustibles Sólidos ........................................... 175


9/475

4.5.1. Quemador de Sólidos con Alimentación Inferior .................. 177

4.5.2. Quemador de Sólidos con Alimentación Superior ................ 177

4.5.3. Quemadores de Sólidos con Parrilla Móvil ............................ 178

4.6. Sistemas de Encendido y Seguridad de Quemadores ................... 179

5. Generadores de Vapor .......................................................................................... 187

5.3. Cálculos de un Generador de Vapor ............................................... 197

5.3.1. Capacidad Nominal de una Caldera Pirotubular .................. 1975.3.2. Equivalente de Vaporización .................................................. 198

5.3.3. Factor de Vaporización ........................................................... 198

5.4. Superficie de Calentamiento ........................................................... 198

5.5. Cálculos de Eficiencia ..................................................................... 200

5.6.

Diseño de Calderos Pirotubulares .................................................. 202

5.6.1. Parámetros de diseño de Calderos Pirotubulares .................. 202

5.6.2. Requerimientos de espesor Calderos Pirotubulares.............. 203

5.6.3. Materiales de Calderos Pirotubulares..................................... 211

5.7. Uso de Software FIRECAD ............................................................ 211

5.8. Calderos Acuotubulares .................................................................. 224

5.9. Código ASME para calderos ........................................................... 232

6. Tratamiento de Agua para Calderos ................................................................ 237

6.1. Características Físico-químicas del Agua de Alimentación ......... 242

6.2. Ablandadores por Intercambio Iónico ........................................... 244

6.3. Alcalinidad - acidez del Agua ......................................................... 247

6.4. Concentración de sólidos totales disueltos y en suspensión ........ 248


10/475

6.5. Diseño de Ablandadores .................................................................. 249

6.6. Mantenimiento de Generadores de Vapor ..................................... 251

6.7. Atención de Emergencias en Calderas ........................................... 254

7. Distribución del Vapor .........................................................................................257

7.1. Calidad y Calorímetros de Vapor .................................................... 257

7.2. Tuberías de Vapor y su Dimensionamiento .................................. 263

7.3. Línea Principal y Drenaje ................................................................ 2827.4. Medición de la Demanda de Vapor ................................................ 289

7.5. Trampas de Vapor y Accesorios ..................................................... 295

7.5.1. Trampas de Vapor Termodinámicas ...................................... 295

7.5.2. Trampas de Vapor Mecánicas de Flotador ............................ 297

7.5.3. Trampa de Vapor de Cubeta Invertida ................................... 299

7.5.4. Trampas de Vapor Termostáticas ........................................... 300

7.5.6. Separadores de Vapor .............................................................. 302

8. Carga Térmica de Calefacción de Ambientes ...............................................305

8.1. Calefacción por Aire Caliente .......................................................... 322

8.2. Calefacción por Agua Caliente ........................................................ 327

8.3. Calefacción por Vapor ..................................................................... 337

8.4. Calefacción por Suelo Radiante ...................................................... 343

8.5. Uso de Software para Cargas Térmicas de Calefacción ................ 353

9. Sistemas de Calefacción de Agua Caliente Sanitaria ACS ........................357

9.2. Sistemas Centrales ........................................................................... 368

9.3. Cálculo de Diámetros de Tuberías de A.C.S. ................................. 374


11/475

10. Sistemas de Calefacción de Piscinas ........................................................... 379

10.1. Subsistema de Carga Térmica ........................................................ 380

10.2. Subsistema Hidráulico .................................................................... 384

10.3. Cálculo y Especificación de Componentes .................................... 386

11. Diseño de Saunas Secos y Saunas a Vapor ................................................ 393

11.1. Sauna Seco ........................................................................................ 394

11.1.1. Cálculos y especificación de componentes Sauna Seco ........ 39511.2. Sauna a Vapor .................................................................................. 402

11.2.1 Cálculo y Especificación de Componentes ............................ 403

12. Hornos .................................................................................................................. 407

12.1. Cálculo de los Aparatos de Caldeo y Cocción ............................... 408

12.1.1. Horno de Fuego Directo ......................................................... 408

12.2. Hornos de Secado de Madera ......................................................... 415

12.3. Hornos Deshidratadores ................................................................. 430

12.4. Hornos Eléctricos y Estufas ........................................................... 435

ANEXOS ............................................................................................................................ 447

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS .......................................................................... 461


12/475


13/475

1

Prefacio

Los Programas Académicos de Ingeniería Mecánica y Electromecánica dela Universidad Mayor de San Andrés tienen en sus Planes de Estudio laasignatura de Ingeniería Térmica, cuyo contenido mínimo comprende:

Estudio de la Termodinámica de la Combustión y su Aplicación en Máquinas Térmicas de Combustión Interna y Externa, así como en otros procesostermomecánicos; Estudio del Proceso de la Combustión de CombustiblesSólidos, Líquidos y Gaseosos como Fuente de Calor; Emisión de GasesProducto de la Combustión y su Condición Contaminante; Diseño deQuemadores y sus Aplicaciones; Diseño, Operación y Mantenimiento deEquipos Generadores de Vapor; Tratamiento Físico-químico del Agua de

Alimentación de Calderos; Diseño de Sistemas de Agua Caliente Sanitaria;Diseño de Sistemas de Calefacción.

A la fecha, no existe un texto académico único o texto de aplicación,nacional o extranjero, que incluya la totalidad de los temas mencionados demanera gradual e integral y, tanto docente como estudiantes recurren demanera aislada a diferentes fuentes de información.

En el entendido que “Producción Intelectual es toda creación en el campocientífico, académico o literario, independientemente de su forma deexpresión, que pueda materializarse por cualquier medio y que se realice enfunción de las necesidades institucionales”, se considera que la generación deun texto universitario, que incluya el estudio de temas selectos de Ingeniería Térmica, es una forma de satisfacer la necesidad planteada en el área térmicapara la carrera de Ingeniería Mecánica y Electromecánica de la UMSA.


14/475

2

Las aplicaciones de la Ingeniería Térmica juegan un importante rol en

equipos domésticos y de la Industria, así como en la preservación del medioambiente, lo que contribuye al desarrollo sostenible de la sociedad moderna.En tal sentido, el presente Texto tiene por objeto mostrar al estudiante latransición efectiva de los conceptos adquiridos en Termodinámica, Transferencia de Calor y Mecánica de Fluidos en productos finales decomponentes, equipos y sistemas termomecánicos.

Los libros de texto universitario desempeñan un papel fundamental en la

educación de la ingeniería, puesto que estructuran los procesos de enseñanzay aprendizaje, son fuente específica del contenido curricular y presentan unaexposición organizada en una estructura de un cuerpo de conocimientos,además de un implícito estilo didáctico propio del autor.

Las clases magistrales deben ser complementadas con un texto base quepermita al estudiante una lectura detallada de la teoría y un uso de los

ejercicios resueltos como material didáctico de apoyo.La bibliografía, tanto básica como complementaria, para la asignatura de

Ingeniería Térmica es de origen extranjero y no presenta el contexto de lasformas culturales y realidad nacional en la aplicación de la Ingeniería Térmica.

La generación del presente texto universitario conlleva un trabajo deinvestigación, el cual pretende aportar a la mejora de los índices de

producción intelectual de la carrera y de la universidad.


15/475

TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA José Luis Hernández Quisbert

3

LISTADO DE TABLAS

N° Página

1. Tabla de Concentración de Dióxido de Carbono en PPM 18

2. Familias de Hidrocarburos Derivados del Petróleo 24

3. Tabla de Poderes Caloríficos de Combustibles Líquidos 33

4. Temperaturas de Inflamación y Auto ignición 35

5. Propiedades de Combustibles Automotores 36

6. Propiedades Típicas de los Fuelóleos 39

7. Especificaciones de Gasolinas 41

8. Especificaciones del Diésel ASTM D975 43

9. Especificaciones ASTM de Combustibles de Turbinas de Aviación 44

10. Condiciones de Operación de Prueba de Octanaje 46

11. Octanaje de Diferentes Combustibles y Gasolinas 46

12. Condiciones de Operación de acuerdo a ASTMD613 49

13. Gases Combustibles según Familias 53

14. Composición del Aire Atmosférico Seco 55

15. Entalpías de Formación de Combustibles Comunes 70

16. Poderes Caloríficos 80

17. Gases con Efecto Invernadero 116

18. Emisiones de Escape de Motor a Gasolina 118

19. Emisiones de Escape en g/milla 118

20. Clasificación de Quemadores 13521. Clasificación de Ventiladores 161

22. Dimensiones Referenciales de Calderos 203

23. Espesores mínimos de Carcasas y Tapas Tubulares 203

24. Unidades Equivalentes en Diferentes Sistemas 241

25. Capacidad Suavizadora de Ablandadores 251

26. Procedimientos de Emergencias en Calderas 254

27. Diámetros Diferentes Esquemas 268


16/475


4

28. Porción extractada del Anexo N° A 276

29. Porción extractada del Anexo N° B 276

30. Dimensiones Recomendadas de Drenajes 284

31. Actividad Metabólica 310

32. Resistencia Térmica de la Ropa 311

33. Coeficientes de Convección 317

34. Factores Suplementarios 318

35. Número de Renovaciones de Aire 319

36. Coeficientes de Transferencia de Calor 32037. Factores de Pérdida para Accesorios de Ductos 32638. Coeficientes Kr (Kcal/h m °C) 350

39. Pérdidas de Presión en Artefactos 353

40. Consumo de ACS por uso en Aparatos 363

41. Flujos de Consumo de ACS en Aparatos 364

42. Capacidad de Tanques Proveedores de ACS 371

43. Tabla de Factor de Diversidad para Unidades Habitacionales 37544. Tabla de Coeficiente Transferencia de Calor Superficial - Piscinas 382

45. Pérdidas en Accesorios de 2” 387

46. Pérdidas por Fricción de Tuberías de Agua x cada 100’ de Tubería 388

47. Área óptima de Filtrado para Diferentes Tamaños de Bombas 389

48. Volumen de Sauna de Vapor vs Potencia Requerida 403

49. Factor de Corrección de Potencias de Saunas de Vapor 405

50.

Programa de Secado de Madera 42951. Resistividades Eléctricas de Diferentes Aleaciones 440

52. Tabla Estandarizada de Calibres de Alambre 443


17/475


5

LISTADO DE FIGURASN° Página

1. Temperatura Media de Tierra y Océano 1901 a 2013 18

2. Gráfica de Consumo Energía de Diversa Índole. 19

3. Destilación Fraccionada del Petróleo 23

4. Estructura Molecular de Componentes del Petróleo 27

5. Porcentaje de Evaporado 37

6. Cámara de Combustión como Volumen de Control 69

7. Reactor de Flujo Continuo 72

8. Cámara de Combustión como Volumen de Control 76

9. Bomba Calorimétrica 82

10. Interpretación Gráfica de la Temperatura de Flama Adiabática 85

11. Cámara de Combustión Adiabática 87

12. Efecto de la Altitud en la Densidad del Aire 90

13. Cantidad Total Energía capaz de liberar x m3 de aire a diferentes alturas 9214. Formación del Smog Fotoquímico 109

15. Situación Normal 110

16. Inversión Térmica 111

17. Analizador de Gases Orsat 120

18. Esquema de un Analizador de Gases por Rayos Infrarrojos 123

19. Comportamiento Gases Escape c/base en la relación Aire-combustible 126

20. Esquemas de Limpiadores de Gases de Combustión 12921. Depurador Húmedo – Seco 131

22. Depurador Seco 132

23. Quemadores Atmosféricos y Quemadores de Aire Forzado 137

24. Quemador Atmosférico y sus Partes Constitutivas 138

25. Eficiencia del Quemador 140

26. Comportamiento de la Presión en un Quemador Atmosférico 141

27.

Tipos de Flamas 142


18/475


6

28. Inyector Seccionado 144

29. Esquema Bernoulli 144

30. Coeficientes de Descarga 147

31. Geometría del Quemador Atmosférico 147

32. Partes Constitutivas de un Quemador de Tiro Forzado 152

33. Diagrama de Flujo de Operación de un Quemador de Tiro Forzado 153

34. Ventilador Centrífugo 155

35. Tipos de Ventiladores o Turbosopladores 160

36. Diagrama Presión vs. Volumen de un Ventilador 16237. Medición de la Presión de un Ventilador 163

38. Partes Constitutivas de un Quemador de Combustibles Líquidos 165

39. Quemador de Vaporización: a) Llama Vertical b) Llama Horizontal 167

40. Quemadores de Emulsión a Baja Presión 168

41. Quemador de Pulverización Neumática a Baja Presión de Mezcla 169

42. Quemador de Pulverización Mecánica 170

43. Quemador de Pulverización Mecánica por Presión Directa 17044. Esquema de la Bomba y Circuito de Combustible de un Quemador de

Fuelóleo modulante con una sola boquilla de pulverización. 171

45. Nomenclatura de Toberas 172

46. Ángulos de Pulverización de Toberas 173

47. Distribución del Aire 174

48. Cabeza de Combustión 175

49.

Quemador de Biomasa de Alimentación Inferior con Tiro Forzado 17750. Quemador de Biomasa de Alimentación Superior 177

51. Quemador de Biomasa de Parrilla Móvil 179

52. Chispero Piezoeléctrico 159

53. Chispero de Resistencia Eléctrica 180

54. Chispero Eléctrico de Salto de Chispa 181

55. Seguro Bimetálico de Encendido 182

56.

Seguro de Encendido por Célula Fotoeléctrica 183


19/475


7

57. Seguro de Encendido por Célula Fotoconductora 183

58. Seguro de Encendido por Célula Fotoconductora 184

59. Reguladores de Presión 185

60. Esquema de Caldero de Fondo Seco 191

61. Esquema de Caldero de Fondo Húmedo 191

62. Sección de Caldero Pirotubular de 4 Pasos. 192

63. Subsistemas que comprenden un Caldero Pirotubular 193

64. Subsistema de Alimentación de Agua de un Caldero Pirotubular 195

65. Subsistema de Seguridad de un Caldero Pirotubular 19666. Sección Transversal de Caldero Pirotubular 199

67. Gráfico Diámetro Cañón versus Potencia Entregada 205

68. Determinación del Radio de la Carcasa del Caldero 207

69. Arreglo Triangular de Tubos de Calderos 208

70. Paso entre Tubos de Calderos 209

71. Programa Firecad Formato de Admisión de Datos 212

72. Calderos Acuotubulares 22473. Efecto Termosifón en Calderos Acuotubulares 225

74. Banco de Tubos Aletados de Caldero Acuotubular 226

75. Sección Convectiva Caldero Acuotubular 227

76. Caldero Acuotubular Longitudinal 228

77. Caldero Acuotubular de Tambor Cruzado 228

78. Caldero Stirling de Tubos Inclinados 229

79.

Partes Constitutivas de un Caldero Acuotubular 23080. Incrustaciones en Intercambiadores de Calor 240

81. Esquema Interno de un Ablandador de Agua 245

82. Esquema de un Ablandador y Tanque de Salmuera 246

83. Detalle Operacional de Válvulas 246

84. Diagrama T vs S Curva Isobárica 257

85. Calorímetro de Estrangulamiento 260

86.

Gráfica de Proceso Isoentálpico en Calorímetro de Estrangulamiento 261


20/475


8

87. Calorímetro Eléctrico 262

88. Típica Instalación de Caldero y su Distribución 263

89. Presión de Vapor Saturado Seco vs Volumen Específico 265

90. Típica Estación de Válvula Reguladora de Presión 266

91. Caída de Presión en una Tubería 269

92. Carta de Moody en SI 272

93. Arreglo de Caldero e Intercambiador de Calor 274

94. Carta Dimensionamiento Tuberías Vapor - Método Caída de Presión 278

95. Monograma Dimensionamiento Tuberías Vapor - Método Velocidad 28196. Instalación Típica de Tubería Principal 282

97. Salida a Trampa de Vapor demasiado Pequeña 283

98. Salida a Trampa de Vapor Amplia y Adecuada 284

99. Dimensionamiento de Salidas 284

100. Formación del Golpe de Ariete 285

101. Causas de Formación del Golpe de Ariete 286

102. Reducciones Típicas en Líneas de Vapor 286103. Extensión de Ramales de Líneas de Vapor 287

104. Típica Instalación de Línea de Conexión Ramal y Drenaje 288

105. Ejemplo de Arreglo de Ramal Ascendente 289

106. Equipos de Medición de Flujo de Vapor 291

107. Depósito Calentador de Aceite Térmico con Vapor 292

108. Intercambiador de Calor de Flujo Continuo 294

109. Típico Perfil Temperatura en Intercambiador de Calor Flujo Continuo 294

110. Trampas Termodinámicas 296

111. Mecánicas de Flotador 297

112. Trampas de Cubeta Invertida 299

113. Trampas de Vapor Termostáticas 300

114. Trampa de Vapor Termostática Bimetálica 301

115. Separador de Vapor de Bafles 303

116.

Disipación del Calor Humano 306


21/475


9

117. Diagramas de Confort para Invierno y Verano 312

118. Pérdidas de Calor en Ambientes Cerrados 314

119. Coeficiente de Transmisión Térmica de Pared de Ladrillos 315

120. Inmueble con 4 Cerramientos 319

121. Sistema de Calefacción Central por Aire Caliente 322

122. Típica Instalación de Calefacción por Agua Caliente 328

123. Elementos Emisores en Calefacción por Aire Caliente 329

124. Plano e Isométrico de Vivienda a Calentar 333

125. Porción extraída de Anexo 8.3.1 335126. Sistema Monotubo 338

127. Sistema Bitubo 340

128. Suelo Radiante 343

129. Componentes Básicos del Sistema de Calefacción por Suelo Radiante 347

130. Detalle de Serpentín Continuo y en Espiral 347

131. Transmisión de Calor de un Suelo Radiante 349

132. Detalle del Suelo Radiante 352133. Hoja Electrónica de Calefacción 355

134. Vista Interior y Esquema de Termotanque 358

135. Esquema Interno del Calefón Instantáneo 360

136. Esquema de Funcionamiento de Caldera Mixta para ACS y Calefacción 367

137. Detalles de Tanque Intermediario 369

138. Detalle de Montaje de Tanque Intermediario 370

139. Detalles de Distribución de Tuberías en Edificios 373

140. Nomograma de Diámetros de Tuberías 376

141. Esquema de una Red de Tuberías de Suministro de Agua Caliente 376

142. Pérdidas de Calor en Piscinas 380

143. Diagrama Típico de Montaje de Piscina 384

144. Instalación Típica de una Piscina Doméstica 386

145. Ejercicio de Pérdidas de Presión 387

146.

Interior de Filtro de Arena 389


22/475


10

147. Detalle de Instalación de Componentes 390

148. Sauna Seco 394

149. Detalle de Cerramiento de Sauna Seco 395

150. Generador de Calor de Sauna a GLP o GN 398

151. Sistema de Control de Sauna Seco 401

152. Sauna a Vapor 402

153. Gráfica de Volumen de Sauna vs Potencia Requerida 404

154. Esquema de un Horno de Combustión 407

155. Balance de Energía de un Horno de Fuego Directo 408156. Pérdidas por Conducción, Convección, Radiación, Circuito Equivalente 410

157. Pérdidas por Chimenea Gas Natural 412

158. Pérdidas por Chimenea Fuelóleo N° 2 412

159. Comportamiento de la Humedad en la Madera 418

160. Medidores Digitales de Humedad de Madera 419

161. Esquema Básico de un Horno de Secado de Madera 420

162. Apilado de Tablones para permitir el paso del Aire Secador 425163. Interior de un Horno de Secado de Madera 428

164. Diagrama de Fases del Agua y Formas de Secado 431

165. Esquema Deshidratador de Túnel Continuo 432

166. Hornos de Resistencias 436

167. Potencia Específica Máxima en Hornos 439


23/475


11

LISTADO DE REFERENCIAS

1. Prácticas del Laboratorio de Máquinas térmicas de la UNAM

2. Según la grafía recomendada por el Diccionario Panhispánico de Dudas

3. S. McAllister et al., Fundamentals of Combustion Processes

4. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/kinetic/barfor.html

5. http://www.combustionindustrial.com/img/COMBUSTION_ALTURA_

ENE2008.pdf

6. http://www.thefreelibrary.com/Field+testing+residential+fan-assisted+gas-

fired+furnaces--Part+II%3a...-a0201591031

7. Estudio del Efecto de la Altitud sobre el Comportamiento de Motores de

Combustión Interna. Magín Lapuerta et al. (e-mail: [email protected])

8. Luis Echarra Universidad de Navarra Población , ecología y ambiente

9. http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001766/Temas/General/15_

Analisis Gases.htm10. Fundamentos de Termodinámica Van Wylen&Sonttag

11. Grupo de ciencia y tecnología del gas. Universidad de Antioquia

12. Calentamiento Industrial Eléctrico y por Combustión Raúl H. Varetto

13. Descripción de Calderas y Generadores de Vapor . Abarca, Pedro. Chile


15. PART PFT Requirements for Fire Tube Boilers ASME Code

16. http://bhelpssr.co.in/data/qly/ibr/ibrdoc/Regulation%20Web/regulation

%20592.htm

17. Indian Boiler Regulation

18. Código ASME de Calderas Pirotubulares

19. Manual de Instrucciones Suavizadores de agua Calderos Clayton México

20. http://suratep.grupomide.com/ecapacitacion/presentaciones/guia/sec_guia.pdf


24/475


12


22. Quadri, Nestor (1993) Instalaciones de aire acondicionado y calefacción

23. Quadri, Nestor (2009) Sistemas de Calefacción por agua caliente

24. Wikipedia la Enciclopedia Libre

25. http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull21-3/art3.pdf

26. http://www.spa-pool.org/membersonly/PDFs/ANSI-APSP-

7_Fact_Sheet_Oct_2008.pdf

27.

Design Considerations For Pools And Spas (Natatoriums) John W. Lund28. http://es.wikipedia.org/wiki/Sauna

29. R. M. Palazón www.areadecalculo.com Una teoría de la Elaboración

del Vidrio

30. Process furnaces, dryers and kilns Energy Management Series for Industry

Commerce and Institutions

31. Heat and Air Requirements in the Kiln Drying of Woods C.A. Eckelman and J.L.

Baker

32. Termodinámica para Ingenieros Merle C. Potter

33. The Importance of Fans in the Lumber Kiln Drying Process

34. Sita R. Warren H.A. Simons Ltd. Vancouver, CA

http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion1.HornosIndustriales.2006.pdf


25/475


13

CAPÍTULO 1

1.

Combustibles y Combustión

1.1. La naturaleza de la Combustión

La combustión es un fenómeno tan comúnmente observado que

difícilmente parece ser necesaria su definición. Desde un punto de vistacientífico, la combustión está sustentada por la cinética de la reacciónquímica. El término combustión se utiliza para aquellas acciones en las cuales ocurre unarápida y gran conversión de energía química en energía sensible , es decir, un proceso deoxidación. Sin embargo, tal definición no es precisa; por ejemplo, laoxidación de las partes de un automóvil no se puede considerar como unacombustión aunque haya un proceso de oxidación muy lento. Si se pulveriza

el metal de un vehículo y se deja que se oxide en el medio ambiente, estaspequeñas partículas tendrán un proceso de oxidación mucho más rápido;esto se debe a que se está incrementando el área de contacto y por lo tantotambién se está incrementando la tasa de reacción. Por lo expuesto, se puede definir el proceso de combustión como un proceso de oxidación, rapidísimo y exotérmico.

A continuación se cita una ampliación en este ámbito: “La combustión esun proceso de oxidación mediante el cual una sustancia combustible libera su

energía latente en forma de calor y luz al entrar en contacto con el elementocomburente; éste puede ser oxígeno puro o bien oxígeno que se toma de uncompuesto químico, como el ácido nítrico o el perclorato de amoníaco.”1

Se define como combustible a toda sustancia que, cuando se la calienta,pasa por una reacción química con un oxidante (típicamente oxígeno en el

1Prácticas del Laboratorio de Máquinas térmicas de la UNAM


26/475


14

aire) para liberar calor. Los combustibles son sustancias que pueden

proporcionar energía calorífica para producir trabajo mecánico; según suestado, los combustibles se clasifican en sólidos, líquidos o gaseosos.

Para que un combustible sea una fuente de energía, éste debe serabundante y relativamente barato. Los combustibles pueden ser provenientesde fósiles o de biomasa. Los combustibles fósiles son no renovables mientraslos biomásicos sí son renovables. Los combustibles fósiles comprenden elgas natural, los derivados del petróleo y el carbón mineral. Los combustiblesde biomasa provienen principalmente de madera, residuos agrícolas ymaterial orgánico.

Los combustibles sólidos comprenden las distintas clases de carbón; éstepuede ser de origen orgánico o inorgánico. Estos combustibles generalmenteestán constituidos por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre,humedad y cenizas. Algunos de los combustibles sólidos son: la antracita,

semiantracita, carbón bituminoso, lignito, etc.La reacción en el proceso de combustión se puede incrementar

aumentando la temperatura. La tasa de la reacción química exotérmicaaumenta exponencialmente en función de la temperatura absoluta de lareacción. Aún un pequeño incremento en la temperatura aumentarárápidamente la reacción. Debido a que las reacciones de los combustibles sonexotérmicas, las temperaturas van aumentando y la tasa de reacción también

va aumentando hasta alcanzar tal velocidad que el proceso de combustión seconvierte en una explosión.

Si la temperatura de una mezcla aire-combustible se ha elevadouniformemente, por ejemplo, por una compresión adiabática, la reacciónpuede ocurrir homogéneamente en todo el volumen; sin embargo, esto no eslo común, la combustión comúnmente observada presenta una flama, la cual

es una región gaseosa delgada donde se produce la reacción química


27/475


15

exotérmica; por ejemplo, en la combustión de un mechero Bunssen y una

vela, ambos muestran una delgada región donde tanto el combustible comoel oxígeno reaccionan desprendiendo calor y luz. En el caso de un mecheroBunssen, los reactantes compuestos por el combustible gaseoso, como elmetano, y el aire llegan muy bien mezclados antes de la ignición, una vezmezclados se queman y la mezcla forma una zona de reacción de formacónica denominada frente de flama, originándose los productos de lacombustión.

La conversión de la energía química en energía sensible ocurre en la flamay eso hace que la temperatura de la flama aumente. Los productos de lacombustión emergen de la flama a una temperatura elevada pero latransferencia de calor y la mezcla que ocurre con el aire del ambiente causaque la temperatura disminuya a medida que los productos se alejan de laflama. El mechero Bunssen es un ejemplo de combustión de pre mezcla , esa

combustión da origen a la flama premezclada. Otro ejemplo de combustión demezcla es la que ocurre en una cámara de combustión de un automóvildonde el aire y combustible llegan mezclados en una relación determinada.La flama del mechero Bunssen es una flama estacionaria mientras que la queocurre en una cámara de combustión es un ejemplo de una flama que se propaga .

La flama de una vela es diferente a la de un mechero Bunssen ya que en la

vela el combustible no es premezclado con el oxidante, la cera de la vela escalentada por la misma flama, ésta se licúa, luego se vaporiza y se mezcla conel aire que es absorbido de los alrededores por la flama en un movimientoboyante que hace que los productos fluyan hacia arriba. Este tipo de flama sedenomina de difusión . La concentración aire-combustible en una flama dedifusión varía desde una zona rica en combustible hasta una zona de aire puro.En este rango, algunas mezclas tienen mejores propiedades para la reacción.

Para la mayoría de los combustibles, la zona de reacción de alta temperatura


28/475


16

transfiere calor creciente hacia la zona rica en combustible, formando

partículas sólidas de carbón de un tamaño menor a un micrón. Estaspartículas calientes y radiantes generan una luminosidad de color amarillo orojo. La combustión de quemadores de aceite, turbinas de gas y motoresdiésel presenta flamas de difusión. Tanto las flamas premezcladas como lasflamas de difusión ocurren a diferentes tiempos y diferentes lugares dentrode la cámara de combustión.

Las flamas pueden ser laminares o turbulentas. La turbulencia mejora lamezcla e incrementa la superficie de contacto en la zona de reacción, esdecir, de combustión o quema. Esta velocidad de reacción se refiere alavance de la reacción entre la mezcla quemada y la no quemada. Los efectosde la turbulencia son importantes debido a que las flamas laminares sonbastante lentas. La mayoría de los quemadores en la industria trabajan conflamas turbulentas.

Las velocidades de las ramas premezcladas y laminares para combustiblesde hidrocarburos son de aproximadamente 0.5m/s; en cambio, las flamasturbulentas son de dos a diez veces más rápidas. Cuando se alcanza velocidades de 2000 m/s se tiene una explosión o detonación . En unacombustión laminar o turbulenta las reacciones ocurren prácticamente apresión atmosférica; en cambio en una detonación, la presión alcanza hastaquince veces más.

La naturaleza de la combustión también depende si el combustible esgaseoso, líquido o sólido. Los combustibles gaseosos son fáciles detransportar, mezclar y por lo general tienen una combustión limpia. Loscombustibles líquidos comúnmente son pulverizados a través de toberas aaltas presiones, mientras que los sólidos son molidos y pulverizados antes deser alimentados en el quemador o combustor.


29/475


17

Cuando los combustibles líquidos son calentados, estos se vaporizan y se

queman en el estado gaseoso; en cambio, los combustibles sólidos cuando secalientan desprenden humedad y gases volátiles y lo que queda es carbónporoso y cenizas. Los combustibles líquidos viscosos también dejan carbón ycenizas; el carbón tiene una combustión superficial.

Debido a que los combustibles gaseosos, líquidos y sólidos tienen unproceso de combustión diferente, cada equipo de combustión tendrá undiseño diferente para tener una combustión más eficiente, más económica ylimpia. Las propiedades físico-químicas del combustible incidirán en elcontenido de ceniza, en la erosión y en la corrosión del equipo decombustión.

El proceso de combustión deberá satisfacer las exigenciasmedioambientales en cuanto a la emisión de productos contaminantes, talescomo monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados, óxidos de

nitrógeno, dióxido de azufre y material particulado. Los estándares deemisión están establecidos para mantener el ambiente suficientemente limpiocomo para proteger la salud humana y el medio ambiente.

Actualmente, el calentamiento global es una preocupación mundial y unacausa de este efecto son las altas concentraciones de dióxido de carbono quepropician el efecto invernadero donde las radiaciones térmicas de onda larga,que deberían salir de la superficie terrestre, son atrapadas por la atmósfera

aumentando así la temperatura del planeta. Si bien la relación entre lasemisiones de CO2 y la temperatura promedio del mundo aún no está muybien establecida, se ha comprobado que la concentración de CO 2 en el globoterráqueo y su atmósfera se está acelerando cada vez más. La siguiente tablapermite apreciar este fenómeno:


30/475


18

Tabla N°1

Tabla de Concentración de Dióxido de Carbono en PPMPeríodo Concentración PPM

Antes de la revolución Industrial 2801900 3001958 3151980 3371996 3622013 400

Fuente: Gary L. Borman. Combustion Engineering 2012. Edit. McGraw Hill

Fig. 1. Temperatura Media de Tierra y Océano 1901 a 2013

Fuente: https://www2.ucar.edu/sites/default/files/news/2014/201301-201312.png

En la figura 1 se muestra las temperaturas promedio de tierras y océanos;en la misma se observa que ha habido un incremento de 0.85ºC desde 1880hasta el 2012. Considerando que 1/3 de la población no cuenta con energíaeléctrica y su generación es en base a termoeléctricas alimentadas con

combustibles sólidos, se prevé un mayor aumento de CO2 y lo que se


31/475


19

pretende es reducir esta concentración, esto se puede lograr diseñando y

construyendo equipos y sistemas de combustión más eficientes desde unpunto de vista energético. Entender los detalles de la combustión requiereutilizar química, matemáticas, termodinámica, transferencia de calor,mecánica de fluidos, entre otras ciencias. Por ejemplo, comprender elcomportamiento de una simple flama turbulenta requiere los conocimientosde turbulencia de fluidos y cinética química, campos que se hallan en lasfronteras de la ciencia actual. Sin embargo, el ingeniero no puede esperar

hasta que el conocimiento evolucione y debe dar respuestas haciendo uso dela ciencia y la experiencia para hallar soluciones prácticas en materia dediseño de sistemas de combustión.

Fig. 2. Gráfica de Consumo Energía de diversa índole

Fuente: WorldEnergy Council


32/475


20

La figura 2 permite apreciar el uso de las diferentes formas de energía yuna proyección hasta el año 2020 en medidas de unidades Mtoe, que significala cantidad de energía cuando se quema una tonelada de petróleo crudo yequivale aproximadamente a 42GJ. Como se puede observar, el consumo decombustible fósil no renovable es muy alto y su reducción se prevé para elaño 2020 en apenas 6%, esto significa que la tecnología de combustión estará vigente y deberá mejorar para reducir los niveles de emisión.

El desafío actual para el ingeniero de combustión es alcanzar el diseño yconstrucción de equipos y sistemas de alta eficiencia, bajas emisiones y altaconfiabilidad a costos razonables.

Combustibles Sólidos

Estos comprenden la madera y otras formas de biomasa, turba lignito,carbón bituminoso (carbón suave con alto contenido de bitumen) y carbón

de antracita. Ciertos desechos industriales o municipales también se puedenconsiderar como combustibles. Estos combustibles están constituidos porcarbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, humedad y cenizas. Eloxígeno está químicamente ligado al combustible y varía desde un 45% enpeso para la madera hasta un 2% para el carbón de antracita. La humedadpuede estar en forma libre o ligada intrínsecamente en la madera o laporosidad del carbón. Las cenizas son el residuo inorgánico que queda

después que se ha quemado completamente el combustible.El carbón es un mineral heterogéneo que está compuesto de carbón,

hidrógeno y oxígeno con mínimas cantidades de azufre y nitrógeno. Otrosconstituyentes son los compuestos inorgánicos de las cenizas, algunoscarbones toman una forma plástica y se derriten cuando se calientan ydesprenden resinas, licores y gases, dejando un residuo de carbón.


33/475


21

El carbón se origina a través de la acumulación de la madera y otra

biomasa que fue cubierta y compactada en cientos de miles de años hastapetrificarse y convertirse en rocas.

El origen del carbón bituminoso parece ser tierras húmedasconstantemente inundadas de aguas con nutrientes lo cual ayudó a laformación de vegetación y turba. En los niveles bajos de estas tierrashúmedas existió un proceso anaeróbico que ayudó al cambio estructural ydescomposición bioquímica de las plantas remanentes; estas alteracionesmicrobiológicas y químicas de la celulosa, la lignina y otras sustanciashicieron que aumentara el porcentaje de carbón y disminuyera la cantidad deagua. Estos cambios generaron lignito, carbón bituminoso y luego antracita,cambios progresivos que ayudaron a la carbonización además de las altaspresiones y temperaturas. Químicamente, al disminuir la porosidad yaumentar la vitrificación del carbón, existe una disminución de la materia volátil, un aumento del porcentaje de carbón así como una disminución delporcentaje de oxígeno e hidrógeno como es el caso de la antracita. Estasdiferencias de composiciones del carbón hacen que se clasifique en rangos ygrados. Los rangos del carbón expresan la metamorfosis progresiva de uncarbón desde lignito hasta antracita. El rango se basa en el poder calorífico,tema que será ampliamente estudiado más adelante.

Combustible sólido de desecho

Este material que comúnmente denominamos basura sirve, en paísesindustrializados, como combustible de grandes calderos donde se genera vapor que alimenta turbinas de vapor, que a su vez conducen generadoreseléctricos. Los desechos o basura pueden ser quemados directamente otambién pueden ser procesados y separados los combustibles de los nocombustibles en sistemas de cortadoras, separadores magnéticos, cernidorespor tamaño y clasificación por aire; a este tipo de combustible se lo conoce


34/475


22

como combustible derivado de desechos . Este tipo de combustible puede ser

tratado para obtener combustibles líquidos y gaseosos o ser almacenado enforma de pastillas o ladrillos. En Bolivia, este recurso energético aún no estásiendo utilizado y se lo debería estudiar académicamente para una futuraexplotación industrial.

Combustibles Líquidos

Los combustibles líquidos son esencialmente derivados del petróleo

crudo. Recientemente una nueva tecnología permite obtener combustibleslíquidos derivados de esquistos, arenas resinosas, carbón y biomasa. Elpetróleo crudo es una mezcla de hidrocarburos líquidos con pequeñascantidades de azufre, nitrógeno, oxígeno, trazas de metales y minerales. Elpetróleo generalmente se encuentra atrapado en ciertas formaciones rocosasque fueron originalmente fondos marinos. Esta materia orgánica del fondodel mar fue encerrada en capas de roca a elevadas presiones y temperaturas

por millones de años hasta que se convirtió en el petróleo crudo que hoyconocemos.

Los análisis de los petróleos crudos alrededor del mundo no varíanmucho, con un 84% de carbón y hasta 3% de azufre, 0.5% de nitrógeno y0.5% de oxígeno. En algunos casos se puede quemar el petróleo crudo demanera directa; sin embargo, debido a las diferentes densidades y viscosidades, así como impurezas que éste tiene, el petróleo crudo se debe

refinar. Existen diferentes procesos de refinamiento tales como destilaciónfraccionada, cracking, reformado y otros, obteniéndose así diferentes cortescomo gasolina, diésel, combustibles de turbinas de gas y fuelóleos.

La figura 3 muestra una representación esquemática de los cortesobtenidos en una destilación fraccionada. Por la parte superior salen loshidrocarburos volátiles y por la parte inferior los más pesados.


35/475


23

Fig. 3. Destilación Fraccionada del Petróleo

Fuente: Wikipedia

Los combustibles líquidos derivados del petróleo pueden dividirse en

destilados libres de ceniza y combustibles con ceniza; estos últimos presentanuna significativa cantidad de minerales, los cuales deben ser removidos en larefinería. Los combustibles líquidos derivados del petróleo tienen una variedad de hidrocarburos y presentan un amplio rango de propiedades.

Químicamente, el petróleo crudo está compuesto principalmente dealcanos (parafina), ciclo alcanos, naftenos y aromáticos. Los combustibles de

petróleo también contienen alquenos (olefinas), los cuales se forman duranteel proceso de cracking en la refinación.

Dependiendo del número de átomos de carbono y de la estructura de loshidrocarburos que integran el petróleo, se tiene diferentes propiedades quelos caracterizan y determinan su comportamiento como combustibles,lubricantes, ceras o solventes.


36/475


24

Tabla N°2

Familias de Hidrocarburos derivados del Petróleo

Familia Fórmula EstructuraParafinas Cn H2n+2 Cadena SaturadaOlefinas Cn H2n Cadena no SaturadaDiolefinas Cn H2n-2 Cadena no SaturadaNaftenos Cn H2n Anillo Saturado Aromáticos Cn H2n-6 Anillo no Saturado

Fuente: Prácticas del Laboratorio de Máquinas Térmicas UNAM

Las cadenas lineales de carbono asociadas a hidrógeno constituyen lasparafinas; cuando las cadenas son ramificadas se tienen las isoparafinas; alpresentarse dobles uniones entre los átomos de carbono se forman lasolefinas; las moléculas en las que se forman ciclos de carbono son losnaftenos, y cuando estos ciclos presentan dobles uniones alternas (anillo

bencénico) se tiene la familia de los aromáticos. Además hay hidrocarburos con presencia de azufre, nitrógeno y oxígeno

formando familias bien caracterizadas, y un contenido menor de otroselementos. Al aumentar el peso molecular de los hidrocarburos, lasestructuras se hacen verdaderamente complejas y difíciles de identificarquímicamente con precisión. Un ejemplo son los asfaltenos que formanparte del residuo de la destilación al vacío; estos compuestos además están

presentes como coloides en una suspensión estable que se genera por elagrupamiento envolvente de las moléculas grandes, las cuales se modificandisminuyendo su tamaño hasta constituir un todo semicontinuo.


37/475


25


38/475


26


39/475


27

Fig. 4. Estructura Molecular de Componentes del Petróleo

Fuente: PEMEX http://www.imp.mx/


40/475


28

Combustibles Gaseosos

El gas natural se halla comprimido en rocas porosas y arcillas esquistosasen estratos inferiores. Frecuentemente el gas natural se halla muy cerca oencima de los depósitos de petróleo. El gas natural es una mezcla dehidrocarburos y pequeñas cantidades de no-hidrocarburos existentes en lafase gaseosa o mezclado en una solución con petróleo crudo.

El gas natural crudo contiene metano y, en menores cantidades, etano,

propano, butano y pentano. También, en cantidades mínimas, el gas naturalcontiene nitrógeno orgánico y azufre que prácticamente son despreciables y,en algunos casos, dióxido de carbono y nitrógeno que no son combustibles.

El gas natural extraído de los yacimientos petrolíferos es un productoincoloro e inodoro, no tóxico y más ligero que el aire. Procede de ladescomposición de los sedimentos de materia orgánica atrapada entreestratos rocosos y es una mezcla de hidrocarburos ligeros en la que el metano

(CH4 ) se encuentra en grandes proporciones, acompañado de otroshidrocarburos y gases, cuya concentración depende de la localización delyacimiento.

Gas Natural Comprimido (GNC)

GNC significa Gas Natural Comprimido y es el mismo gas naturalmencionado anteriormente pero sometido a altas presiones. El Gas Natural

Comprimido se comprime hasta 200 bar con objeto de ser almacenado encilindros y su principal uso es en motores de combustión interna.

El Gas Natural ha sido aceptado como una energía con gran potencial dedesarrollo futuro y, de hecho, la Conferencia Mundial de la Energía,celebrada en Tokio el año 1995, declaró al GNC como el combustiblealternativo con mejores opciones de desarrollo para su masificación a futurodebido a su abundancia, comodidad, seguridad, bajo costo de extracción,


41/475


29

transporte, distribución y el bajo nivel de contaminación que genera. Este

gas es también conocido como Gas Natural Vehicular que no es más que elGNC usado como fuente energética en los automotores en general. Su usose ha difundido en muchos países, principalmente por su limpieza ambientaly menor costo comparado con los combustibles tradicionales.

Gas Natural Licuado (LNG)

LNG (por sus siglas en inglés) es un gas natural que ha sido licuado y

separado de los hidrocarburos líquidos y más pesados por un procesocriogénico que baja su temperatura hasta -162 grados Celsius a presiónatmosférica o ligeramente superiores. Su contenido de metano alcanza un99% y puede ser transportado en grandes buque-tanques denominados“metaneros.”

El Gas Natural Licuado ocupa un volumen que representa 1/600 el volumen del Gas Natural en forma de vapor en condiciones estándar.

Gas Licuado de Petróleo (GLP)

El gas licuado de petróleo (GLP) está compuesto principalmente deetano, propano y butano, que son producidos en plantas procesadoras apartir del gas natural. El GLP también incluye algunos gases licuadosprovenientes de las refinerías, tales como etileno, propileno y butileno. ElGLP es almacenado en tanques a presiones mucho menores que el GNC. El

GLP comercial tiene una presión de vapor de 2,08 bar a 38°C.Gas de Carbón o Gas Pobre

El denominado gas de carbón o “gas pobre” se obtiene de un proceso de

semi-combustión del carbón, con una cantidad de aire menor que elestequiométrico, sobre un lecho caliente de carbón, madera, turba o residuosagrícolas. Este gas puede ser usado caliente o bien frío y limpio de brea yceniza. El gas pobre está compuesto principalmente de CO, H2, y hasta un


42/475


30

55% de N2, además de CO2 en mínima proporción. La gran cantidad de

nitrógeno en el gas pobre hace que éste tenga un poder calorífico bajo.Otra manera de obtener gas pobre es calentando el carbón y la biomasa

de forma indirecta.

Gas de Agua

Se produce un llamado gas de agua a través de un lecho caliente decarbón, hulla o carbón de madera, una dosificación de aire y luego sofocando

esta combustión con vapor. El vapor reacciona endotérmicamente con elcarbón de la siguiente manera:

C + H2O = CO + H2

De esta forma, el CO y el H2 se incrementan y el N2 del aire disminuye.El gas de agua tiene el doble de poder calorífico que el gas barato.

Gases de Alta Temperatura

Los gases manufacturados, como el hidrógeno y el acetileno, son usadospara aplicaciones de altas temperaturas. El hidrógeno se obtiene a partir deuna reformación del gas natural, una oxidación parcial de los hidrocarburoslíquidos, o una gasificación del carbón. El acetileno C2H2 se obtieneañadiendo agua al carburo de calcio.

1.1.

Propiedades Físico - Químicas de los Combustibles

1.1.1. Propiedades de los Combustibles Sólidos

Los análisis físico-químicos de los combustibles sólidos están basados enlas normas ASTM, que son:


43/475


31

Análisis de Aproximación ASTM D3172

Esta prueba determina la cantidad de humedad, materia combustible volátil, carbón fijo y cantidad de ceniza en una muestra de un combustiblesólido. Esta prueba se denomina de aproximación por la naturaleza empíricade la misma. Se muele y pesa una muestra de carbón y se la calienta entre 105a 110°C, se vuelve a pesar y la diferencia determinará el porcentaje dehumedad. Esta misma muestra luego se calienta hasta 900°C en un recipientehermético y se sigue el mismo procedimiento para determinar el peso de lamasa volátil. La materia remanente es luego calentada hasta 750°C en unrecipiente abierto de tal manera que exista combustión, se pesa la masanuevamente y el peso perdido corresponderá a la resina o carbón fijo y loque queda en el recipiente se define como ceniza. En esta prueba no sedetermina si el agua desprendida es libre o está químicamente enlazada alcombustible. Se debe seguir cuidadosamente el protocolo de esta prueba paratener resultados confiables.

Análisis Final ASTM D3176

Prueba que permite determinar la composición porcentual de loselementos del combustible; esta prueba es una continuación de la anterior, esdecir, se la realiza en base seca y libre de cenizas. La prueba determina lacantidad de carbón e hidrógeno quemando la muestra en un recipientecerrado en presencia de oxígeno. Las proporciones de los componentes se

determinan a través de un análisis de los productos de combustión.Determinación del Poder Calorífico ASTM2105

Esta prueba permite determinar la cantidad de calor que se genera porunidad másica de combustible en un proceso completo de combustión. Paraello se utiliza una bomba calorimétrica de combustible. Más adelante seexplicará ampliamente esta prueba.


44/475


32

Determinación del Grado de Pulverización ASTM D409

Permite diferenciar a los combustibles sólidos por su facilidad depulverización. El sólido es movido en un recipiente que contiene ocho bolasde acero de 25 mm de diámetro, las bolas son conducidas por un anillo querota a 20 RPM impulsado por un eje que ejerce una presión de 284.4 N. Setoma una muestra de 50 g, la cual se somete a 60 revoluciones del equipo, elcarbón molido luego es tamizado en una malla de 75 micrones y luego sepesa la masa molida para determinar el porcentaje de pulverización.

Determinación de la Temperatura de Fusión de la Ceniza ASTMD1857

Esta prueba es importante porque los residuos de ceniza causantaponamientos en calderos y otros intercambiadores de calor. Una vez queuna muestra ha sido quemada en presencia de oxígeno para asegurar unacombustión completa, quedan los restos de cenizas que se mezclan con una

solución de dextrina hasta formar una pasta en forma de cono, el cual sequema nuevamente hasta que el cono colapse. En este proceso se toman lasdiferentes temperaturas para determinar la temperatura de fusión. Estatemperatura depende de la composición de la ceniza; si ésta tiene SIO 2, Al2O3, y TiO2, las temperaturas de fusión son mayores; en cambio, si laceniza contiene Fe2O2, CaO, MgO, Na2O y K 2O, las temperaturas sonmucho más bajas. Esta temperatura servirá como parámetro de diseño en

calderos o intercambiadores.Índice de Hinchamiento Libre

Expresa el comportamiento del carbón cuando se calienta a temperaturasa las que se provoca su escisión en dos fases: gaseosa y sólida. La forma y volumen final obtenidos de una muestra inicial de carbón, sometido al citadocalentamiento, se compara con una escala establecida en la que se asignan

unos números a cada forma y volumen.


45/475


33

La escala varía desde 0 (sin aumento de tamaño) a 9 (aumento de tamaño

más grande). El IHL puede verse afectado por el contenido de humedad a laintemperie, y la poca consistencia de la muestra pulverizada.

Índice de Abrasividad

Expresa la mayor o menor capacidad que tiene un carbón para producirerosión en los elementos de un equipo de manejo del mismo. Se utilizará laescala MOHS, que asigna un valor o índice a diez materiales distintos según

su abrasividad.1.1.2. Propiedades de los Combustibles Líquidos

Determinación del Poder Calorífico ASTM3523

Esta prueba se realiza haciendo uso de una bomba calorimétrica, la cual esun recipiente metálico donde se inyecta oxígeno a alta presión, unaresistencia eléctrica y el combustible. El recipiente está rodeado de agua yésta absorbe el calor producido por la reacción de combustión en la bomba.El aumento de la temperatura del agua permite determinar la cantidad decalor desprendido por el combustible.

Tabla N°3Tabla de Poderes Caloríficos de Combustibles Líquidos

Combustibles PCI (kJ/kg) PCS (kJ/kg) Aceites de Esquisto - 38830 Alcohol Comercial 23860 26750

Alquitrán de Hulla - 37025 Alquitrán de Madera 36420 -Etanol Puro 26790 29720Metanol Puro 19250 -Fuelóleo N°1 40600 42695Fuelóleo N°2 39765 41860Gasóleo 42275 43115Gasolina 43950 46885Petróleo Bruto 40895 47970

Querosene 43400 46500


46/475


34

Densidad o Gravedad Específica

La gravedad específica es la densidad del combustible dividido por ladensidad del agua; ambos deben estar a la misma temperatura. En algunoscasos se usa los grados A.P.I. (Instituto Americano del Petróleo) o gradosBaumé: é í / 130 (1.1.2.1)

.

í 131.5 (1.1.2.2)

Donde el peso específico del combustible se halla a 289°K dividido por elpeso específico del agua también a 289°K.

Viscosidad

Se denomina así a la propiedad de un líquido a su resistencia a fluir. En

términos prácticos indica la facilidad con la que un combustible puede serbombeado o también atomizado. La viscosidad de los líquidos disminuye alaumentar la temperatura. Existen diferentes estándares para determinar la viscosidad. Algunas veces se usa el punto de escurrimiento como una medidade la viscosidad, éste se refiere a la temperatura más baja que un líquidopueda almacenarse y todavía sea capaz de fluir.

Punto de Inflamación

Es una indicación de la temperatura máxima a la cual el combustiblepuede ser almacenado y manipulado sin el peligro de presentarse fuego. También se define esta propiedad como la temperatura más baja en la que elcombustible puede arder en presencia de una flama.

Temperaturas de Autoignición

Se denomina así a la temperatura mínima requerida para iniciar una

combustión autosostenible a la presión atmosférica y sin la presencia de una


47/475


35

chispa o flama. La temperatura de ignición de los alcanos disminuye con el

aumento del peso molecular. Por ejemplo, la temperatura de autoignición delisoctano es mayor que la del octano. En general se puede decir que lastemperaturas de autoignición son un indicador de la dificultad de combustiónde un combustible.

Punto de Humo

La medición del punto de humo es una prueba usada como indicador de

la calidad de los combustibles para turbinas de aviación y kerosene. En estaprueba, una muestra de combustible es ubicada dentro de un candelabro yquemada por la lámpara del equipo para determinar la altura máximaformada por la llama sin formación de humo. La norma que rige estapropiedad es la ASTM D1322.

Tabla N°4Temperaturas de Inflamación y Autoignición

Temperatura deInflamación

Temperatura de Autoignición

°C / °F

Etanol (70%) 16.6°C (61.9°F) 363°C (685°F)

Gasolina −43 °C (−45°F) 280°C (536°F)

Diesel 2D >52°C (126°F) 256°C (493°F)

Jet Fuel A/ A1 >38°C (100°F) 210°C (410°F)

Kerosene >38 – 72°C (100 – 162°F) 220°C (428°F) Aceite Vegetal 327°C (621°F)

Biodiesel >130°C (266°F)

Fuente: NFPA 30: Flammable and Combustible Liquids Code, 2012 Edition

Í É


48/475


36

Tipos de Combustible Líquido

La gasolina del automóvil es una mezcla de hidrocarburos livianosdestilados derivada de combinaciones del petróleo crudo refinado, mezcla deparafinas, olefinas, naftalinas y materia aromática que varía de refinería arefinería debido al lugar y época del año. La gasolina debe ser losuficientemente volátil como para evaporarse fácilmente en un motor, perono tan volátil como para ser peligro de explosión durante su manipuleo. Lasgasolinas tienen una relación de ebullición de 25-225°C. El Octano, que a

veces es utilizado para representar a la gasolina, tiene un punto de ebulliciónde 125.6°C.

Tabla N°5Propiedades de Combustibles Automotores

PropiedadesGasolina de Automóvil

DieselN° 2

Methanol Etanol

Gravedad específica a 16ºC 0.72-0.78 0.85 0.85 0.796 0.794 Viscosidad cinemática a 20ºC(m2/s)

0.8x10-6 2.5x10-6 0.75x10-6 15x10-6

Rango de Punto de Ebullición(ºC)

30-225 210-235 65 78

Temperatura de Inflamación(ºC)

-43 52 11 13

Temperatura de Auto ignición(ºC)

370 254 464 423

N° de Octano (investigación) 91-100 -- 109 109N° de Octano (motor) 82-92 -- 89 90N° de Cetano < 15 37-56 < 105 < 15Relación A/F Estequiométrica 14.7 14.7 6.45 9.0Calor de Vaporización(KJ/Kg)

380 375 1185 920

Poder Calorífico Inferior(MJ/Kg)

43.5 45 20.1 27

Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K.

Í É


49/475


37

El combustible diésel es una mezcla de hidrocarburos livianos

destilados con una relación de ebullición más alto que la gasolina. Lasgrandes industrias de equipos pesados y las naves marinas utilizan confrecuencia este combustible más pesado. Las propiedades para el diésel y lagasolina se muestran en la tabla N°5.

Comparando la gasolina y el diésel Nº2, se tiene que la densidad delcombustible diésel es más alta, lo cual le da un mayor poder calorífico.

Se nota también menor volatilidad y mayor viscosidad del combustiblediésel. La temperatura de autoignición muestra la razón de la gran diferenciaen el cetanaje si se toma en cuenta que el número de cetano muestra lafacilidad de la compresión de ignición.

Fig. 5. Porcentaje de Evaporado

Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K

Los combustibles de las turbinas de gas no están limitados porrequisitos de cascabeleo o ignición diferida y tienen un amplio rango depuntos de ebullición. El Kerosene es similar al combustible Jet A de un

TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA


50/475


38

avión a propulsión; la gran diferencia está en el porcentaje de humedad. El

jet fuel debe ser exento totalmente de humedad para evitar cristalización(congelamiento) del combustible en la altitud de vuelo donde lastemperaturas están por debajo de los 0°C. El combustible jet B, que tambiénes utilizado como combustible de avión de turbina a gas, tiene un rango depunto de ebullición más bajo que el combustible jet A. Los combustibles deturbina limitan las cantidades de ciertas trazas de metal como el vanadio y elplomo, lo cual tiende a formar depósitos en las aspas. La temperatura de

inflamación del kerosene es 38ºC, y el punto de ebullición es 150ºC – 200ºC.La tendencia de formación de hollín (punto de humo) es controladalimitando el contenido de aromáticos a 25% por volumen. Los combustiblespara la industria de turbinas a gas toman en cuenta consideraciones similares.

El combustible Fueloil2 (en inglés fuel oil), también llamado fuelóleo ocombustóleo en otros países hispanohablantes, es una fracción del petróleoque se obtiene como residuo en la destilación fraccionada. De aquí se obtieneentre un 30 y un 50% de esta sustancia. Es el combustible más pesado de losque se puede destilar a presión atmosférica. Está compuesto por moléculascon más de 20 átomos de carbono, y su color es negro. El fueloil se usacomo combustible para plantas de energía eléctrica, calderas y hornos.

La figura 5 muestra una gráfica de temperatura versus porcentaje delíquido evaporado para diferentes combustibles.

El aceite combustible cubre un rango amplio de productos derivados quese han dividido en seis grados, aunque el grado Nº3 ha sido desechado; elgrado N°1 es kerosene y el grado N°2 es aceite combustible doméstico. Elaceite combustible N°2 hierve entre 218 y 310º C; las propiedades del aceitecombustible se muestran en la tabla 6. Los grados más pesados de aceite

2 Según la grafía recomendada por el Diccionario panhispánico de dudas



51/475


39

combustible se especifican por su viscosidad y son utilizados en la industria,

en aplicaciones de servicio público y en algunos motores grandes. Losgrados más pesados contienen cantidades de ceniza significativos. Para elgrado Nº6 se requiere que se precaliente el aceite, lo mismo que para losgrados Nº5 y Nº4, dependiendo del clima. El combustible N°6 es uncombustible residuo pesado, el cual queda después de completado todo elproceso de destilación; tiene alta viscosidad y tiende a contener relativamentealtas cantidades de asfaltenos, sulfuro, vanadio y sodio. Los aceites

combustibles residuales se queman directamente en algunos calderos, ypueden ser utilizados después algún tratamiento en turbinas a gas deindustrias pesadas. El sulfuro es limitado a 0.5% para los aceite combustibleNº1 y Nº2, pero puede alcanzar un 4% para el aceite combustible Nº6.

Tabla N°6Propiedades Típicas de los Fuelóleos

Grado 1 2 4 5 6

Propiedad Kerosene Destilado Residualmuy

Ligero

ResidualLigero

Residual

Color Claro mbar Negro Negro NegroGravedad Específica, a 16ºC 0.825 0.865 0.928 0.953 0.986 Viscosidad cinemática a 38ºC(m2/s)

1.6x10-6 2.6x10-6 15x10-6 50x10-6 360x10-6

Punto de escurrimiento (ºC) < -17 < -18 -23 -1 19Punto Flash (ºC) 38 38 55 55 66 Temperatura de Autoignición(ºC)

230 260 263 - 408

% de Carbono 86.5 86.4 86.1 85.5 85.7% Residuo de carbono Traza Traza 2.5 5.0 12.0(%)Hidrógeno 13.2 12.7 11.9 11.7 10.5Oxígeno (%) 0.01 0.04 0.27 0.3 0.38-0.64Ceniza (%) 46.2 45.4 43.8 43.2 42.4




52/475


40

A medida que los recursos petroleros disminuyen, otras alternativas de

combustibles hidrocarburíferos comienzan a crecer en importancia. Loscombustibles líquidos pueden provenir de carbón, biomasa, aceite deesquisto, arena de alquitrán y gas natural. El metanol (CH3OH) puedeobtenerse del gas natural, carbón o madera; el etanol (C2H5OH) puedeobtenerse de remolacha de azúcar, maíz, o madera. Se puede sustituir elcombustible diésel con aceites vegetales como el aceite de soya y el gasnatural. La realización de esas alternativas depende primordialmente de la

economía del proceso relacionado al petróleo. Sin embargo, puede jugar unpapel muy importante también la demanda de regulación de emisiones degases. Por ejemplo, el éter dimetil que puede obtenerse del gas natural es unexcelente diésel que no genera humo. Como se indica en la tabla N°5, elpoder calorífico del metanol y del etanol es menor que de otroscombustibles derivados del petróleo por su contenido de oxígeno, sinembargo actualmente su uso es ampliamente difundido. Cuando se calienta

el aceite de esquisto, su contenido resinoso se descompone en un líquidoaceitoso del cual se puede obtener petróleo crudo (syncrude). De manerasimilar, la arena de alquitrán da lugar al syncrude que puede ser refinado paraobtener diversos combustibles.

Asimismo, se está considerando reemplazar el petróleo con suspensionesde carbón pulverizado disuelto en agua. Se ha demostrado que este tipo decombustible, que contiene de 25 a 30% de agua, es estable para el bombeo yquemado en ciertos calderos.

Características de la Gasolina

Debido a que la gasolina es el derivado del petróleo más consumido, ladeterminación de su calidad es de gran importancia. Para la mayoría de losconsumidores, la gasolina se valora de acuerdo a su octanaje y precio. Sinembargo, la determinación de calidad de la gasolina es bastante complicada e



53/475


41

involucra muchos factores, y la variación de la calidad de gasolina podría ser

enorme si no fuera por el hecho de que la mayoría de las refinerías producengasolinas bajo los parámetros y especificaciones establecidas por la Sociedad Americana para Ensayos de Materiales (Especificaciones ASTM D4814).

Tabla N°7Especificaciones de Gasolinas

Especificación Método ASTM

Importancia

Volatilidad de destilación D860 Mejor funcionamiento en clima fríoNo congelamiento de carburadorFácil encendido en caliente Vaporización en líneas de combustiblePérdida por evaporación en el CarburadorDepósitos en cárter, cámaras decombustión y en bujías

Relación de vapor a líquido D2533,D5188

Vaporización en líneas de combustible

Presión de vapor D323,

D5190

Encendido a baja temperatura

Pérdidas de vapor del tanque decombustible Vaporización en líneas de combustible

N° de Octano Investigación D2699 Cascabeleo de baja-a-mediana velocidadN° de Octano Motor D2700 Cascabeleo en elevadas RPM

Cascabeleo a media máquinaIndices Anti-cascabeleo -- (N° de Octano motor + N° de octano

Investigación)/2Estabilidad a la oxidación D130 Mayor vida útil de sistema de combustible

Goma existente D381 Depósitos de sistema de inducciónEstabilidad de oxidación D525Contenido de Azufre D1266 Emisión de escape, depósitos del motor y

desgaste Aditivos anti-cascabeleo D2599Contenido de plomo D3229 Deterioración de catalizadorContenido de manganeso D3831 Emisiones de hidrocarburos del motor

Deterioro del sensor de oxígeno




54/475


42

La tabla N°7 muestra una lista de estos métodos de ensayo. Pese a esta

lista de especificaciones, existen otras propiedades también de importancia,como la densidad, tensión superficial, viscosidad, compatibilidad conmateriales, y rango estequiométrico de Aire-Combustible. La lista deespecificaciones cambia y se incrementa constantemente; por ejemplo, elcambio de carburador a combustible a inyección en automóviles trajoconsigo problemas de depósitos en los inyectores, lo cual impulsó aencontrar aditivos para prevenir la formación de dichos depósitos. Al mismo

tiempo, las especificaciones relacionadas al trabajo de los carburadoresdisminuyeron en importanciaLa volatilidad del combustible afecta elperformance de encendido, la operación de los vehículos y las emisiones degases en carretera o durante el llenado de tanque. Los efectos en elperformance pueden ser severos si se tiene formación de vapor en el sistemade combustión, el cual reduce el flujo del combustible. El conductor puedetener problemas de conducción como jaloneos, contraexplosiones,

funcionamiento áspero o intermitente, una corta y violenta reducción de laaceleración después de que el vehículo se pone en movimiento y en cambioscíclicos de potencia. El control del circuito cerrado del combustible, el uso deun sensor de oxígeno en el escape para controlar el flujo de aire de entrada yde combustible, puede aliviar estos problemas.

Características de Combustible Diésel

Las especificaciones del combustible diésel se muestran en la tabla N°8.El combustible Nº1D es utilizado para aplicaciones en clima frío; el Nº2D esel combustible para vehículos a diésel más común. Ambos son muysimilares a los aceites de calefacción Nº1 y Nº2, por lo que compiten cuandohay demanda. El diésel Nº4D es utilizado para motores de velocidad mediaa baja de aplicación estacionaria.



55/475


43

Tabla N°8Especificaciones del Diésel ASTM D975

Propiedades N°1D N°2D N°4D

T. de Inflamación °C 38 52 55 T. de Turbidez °C Req. Local Req. Local Req. Local Agua y sedimentos %, máx. 0.05 0.05 0.05Residuos de Carbón %, máx. 0.15 0.35 -Ceniza % en peso máx. 0.01 0.01 0.1Punto de destilación 90% °C 288 282-338 -

Viscosidad a 40°C (cSt) 1.3-2.4 1.9-4.1 5.5-24% máx. de Azufre 0.05 0.05 2.0N° de Cetano 40 40 30


En términos de consideraciones de combustión, los principales factoresson la viscosidad y el número de cetanaje. Las emisiones de partículas son

afectadas adversamente por el contenido alto de azufre y aromatizantes.Pese a que el efecto primario de bajo número de cetanaje es evitar problemasde encendido en frío, la reducción de número de cetanaje puede tambiénincrementar problemas de funcionamiento áspero, y emisiones de NO(óxido de nitrógeno). Típicamente, los motores de turbo son más tolerantes aun número bajo de cetano durante operaciones de flujo estacionario.

Así como en el caso de la gasolina, los combustibles diésel pueden

mejorarse agregando aditivos.Características de Combustibles de Turbinas

Las especificaciones para jet fuel combustible son más precisas que paragasolina o diésel por razones de seguridad y durabilidad del motor. La tablaN°9 muestra las especificaciones ASTM para combustibles de turbina nomilitares.



56/475


44

Tabla N°9Especificaciones ASTM de Combustibles de Turbinas de Aviación

Propiedad Unidad Jet A o A1 Jet B

Acidez Mg KOH/g máx. 0.1 -Sulfuro de Mercaptano % en peso máx. 0.003 0.003 Azufre total % en peso máx. 0.3 0.3 Aromáticos % volumen máx. 22 22Densidad Kg/m3a 15°C 775 a 840 751 a 802 T. de destilación al 90% °C -- 245

Presión de vapor KPa a 38°C, máx. -- 21 Viscosidad cSt a -20°C 8 --Punto decongelamiento

°C, mín. -40 (Jet A)-47 (Jet A1)

-50

T. de Inflamación °C 38 (Jet A) -- --Poder Calorífico MJ/Kg, mín. 42.8 42.8Punto de Humo mm, mín. 25 25Goma existente mg/100 ml, máx. 7 7


Las consideraciones importantes de combustión son la formación dehollín, la radiación termal subsecuente y las características de la aspersión dela tobera como resultado de la viscosidad del combustible y de la tensiónsuperficial. Hasta el momento se ha realizado un intenso trabajo paraencontrar aditivos de combustible para aviones que reduzcan el

esparcimiento de fuego cuando el combustible es incontenible durante unaccidente. El combustible Jet A es un tipo de kerosene con un alto punto deinflamación. El combustible Jet B es un destilado con un amplio rango de volatilidad. El combustible Jet A-1 tiene un punto de enfriamiento más bajoque el Jet A.



57/475


45

1.1.3. Octanaje y Cetanaje de los Combustibles

OctanajeEsta propiedad se aplica a combustibles líquidos pero también a los

gaseosos, sobre todo a aquellos utilizados en motores de combustión interna.El octanaje o número de octano indica la tendencia de una gasolina aautoignicionarse dentro de la cámara de combustión cuando la relación decompresión en un motor de combustión interna por chispa se aumenta. Elnúmero de octano de un combustible se mide por comparación entre elcomportamiento de dicho combustible y el comportamiento de una mezclade iso-octano y n-heptano en un motor de combustión por chispaestandarizado. Al iso-octano se le asigna arbitrariamente el número 100 y aln-heptano se le asigna el número 0. Esta tendencia de autoignición de uncombustible también se la conoce en la jerga de los mecánicos automotricescomo “cascabeleo”. El iso-octano es el combustible líquido más resistente a

la autoignición o cascabeleo, comparado con todas las gasolinas existentes enel tiempo que la escala fue creada. Una mezcla de 10% de n-heptano y 90%de iso-octano tendrá un número de octano de 90.

El octanaje de un combustible se determina probando qué mezcla(heptano/octano) tiene la misma resistencia que el combustible que se estáprobando. Existen dos protocolos para determinar el octanaje: el primero esel método ASTM D2699 RON llamado de investigación y, el segundo, es el

método ASTMD2700 MON o llamado método motor; en este últimométodo, las condiciones de operación del motor son mucho más severas, esdecir proclives a que haya cascabeleo. El motor utilizado en ambos métodoses un robusto motor de cuatro tiempos con válvulas en la parte superior,diámetro de 82.6 mm y 114.3 mm de carrera. El motor está diseñado para variar su relación de compresión de 3 a 30 a través de un mecanismo quesube o baja el cilindro y el ensamble de la culata con el cilindro. El motor



58/475


46

está equipado con un carburador con dos depósitos, uno para el combustible

de prueba y el otro para la mezcla heptano/octano.

Tabla N°10Condiciones de Operación de Prueba de Octanaje

Variables ASTM D2699 ASTM D2700

Temperatura de Entrada 52°CPresión de Entrada Atmosférica Atmosférica

Humedad 0.0036 a 0.0072 Kg/Kgaire seco 0.0036 a 0.0072Kg/Kg aire seco Temperatura deEnfriamiento

100°C 100°C

Velocidad del Motor 600 RPM 900 RPM Avance de Chispa 13°BTC 19-26°BTCRelación Aire-Combustible Ajustado para la máxima

autoignición Ajustado para lamáxima autoignición

Fuente: Internal Combustion Engine Fundamentals John B. Heywood Edit. McGraw Hill

Tabla N°11

Octanaje de Diferentes Combustibles y Gasolinas

Combustible RON MON

Hexadecano < −30

n-octano −20

n-heptano (RON y MON 0 por definición) 0 0diésel 15 – 25

2-methylheptane 23 23.8

n-hexano 25 26.0

1-pentano 34

1-heptano 60

n-pentano 62 61.9



59/475


47

Combustible RON MON

Requerimiento típico para un motor de dos tiempos 69 65Gasolina Regular en Bolivia 85

Gasolina Premium en Bolivia 95

Gasolina regular en Indonesia 88 78

Gasolina regular en Japón 90

n-butanol 92 71

Neopentano 80.2

Gasolina regular en Australia, Nueva Zelanda, Canadá y losEEUU

91 – 92 82 – 83

Gasolina regular sin pl

temas selectos de ingenieria termica

Documents