Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos: combustibles sólidos, líquidos y gaseosos.

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos: combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. Autor: D. Alfonso Fuentes Pérez Tutor: Profesor Doctor D. Antonio Muñoz Blanco Dep. Ingeniería Energética. Grupo de Máquinas y Motores Térmicos Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 ii Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de las Tecnologías Industriales Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos: combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. Autor: D. Alfonso Fuentes Pérez Tutor: Prof. Dr. D. Antonio Muñoz Blanco Catedrático de Máquinas y Motores Térmicos Departamento de Ingeniería Energética. Grupo de Máquinas y Motores Térmicos Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2015 iv 1 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla AGRADECIMIENTOS: A mis padres por dármelo todo en esta vida, y al resto de mi familia y amigos, por su apoyo incondicional durante mis años de carrera. El presente Trabajo de Fin de Grado ha sido realizado bajo la supervisión del Profesor Doctor D. Antonio Muñoz Blanco, a quien me gustaría expresar mi profundo agradecimiento por hacer posible la realización del mismo; además de por su paciencia, tiempo y dedicación para que el resultado obtenido fuese el mejor posible. 2 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla INDICE Contenido 1. Resumen ........................................................................................................................... 5 2. Introducción ...................................................................................................................... 5 2.1. Objetivo y alcance ..................................................................................................... 5 2.2. Definición ................................................................................................................. 6 3. Elementos involucrados en la combustión y reacciones. ..................................................... 6 3.1. Combustibles ............................................................................................................. 6 3.2. Comburente ............................................................................................................... 7 3.3. Productos de la combustión ....................................................................................... 8 3.4. Energía liberada ......................................................................................................... 9 3.4.1. Calores de combustión ....................................................................................... 9 3.4.2. Poder calorífico ................................................................................................ 10 4. Tipos de combustión ....................................................................................................... 11 4.1. Velocidad de propagación del frente de llama. ......................................................... 11 4.2. Grado de oxidación. ................................................................................................. 11 4.3. Cantidad de oxígeno la combustión .......................................................................... 12 5. Parámetros de la combustión ........................................................................................... 12 5.1. Poder comburívoro .................................................................................................. 12 5.2. Poder Fumígeno ...................................................................................................... 12 5.3. Oxígeno teórico (OT) o estequimétrico .................................................................... 12 5.4. Exceso de aire (n) ................................................................................................... 14 5.5. Oxígeno introducido (OI)......................................................................................... 14 5.6. Volumen de humos secos (vfs)................................................................................. 14 5.7. Volumen de humos húmedos (vfh)........................................................................... 16 6. Propiedades de combustibles ........................................................................................... 17 6.1. Composición ........................................................................................................... 17 6.2. Viscosidad ............................................................................................................... 18 6.3. Densidad ................................................................................................................. 18 6.4. Poder calorífico ....................................................................................................... 18 6.5. Límite de inflamabilidad .......................................................................................... 19 6.6. Temperatura de inflamación..................................................................................... 19 6.7. Temperatura de ignición .......................................................................................... 20 6.8. Temperatura de autoignición .................................................................................... 20 3 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla 6.9. Temperatura adiabática ............................................................................................ 20 6.10. Contenido en azufre ............................................................................................. 21 7. Tipos de combustibles ..................................................................................................... 21 7.1. Combustibles sólidos: carbón................................................................................... 22 7.1.1. Tipos de carbón................................................................................................ 22 7.1.2. Análisis del carbón ........................................................................................... 24 7.2. Combustibles líquidos: hidrocarburos derivados del petróleo ................................... 26 7.2.1. Tipos de hidrocarburos líquidos........................................................................ 26 7.2.2. Gasolinas y naftas ............................................................................................ 27 7.2.3. Propiedades relevantes en los combustibles líquidos ......................................... 28 7.3. Combustibles gaseosos: gas natural y gas licuado del petróleo ................................. 28 7.3.1. Tipos de combustibles gaseosos ....................................................................... 28 7.3.2. Propiedades de los gases .................................................................................. 29 8. Aplicaciones más destacables y equipos .......................................................................... 29 8.1. Quemadores de gas .................................................................................................. 30 8.2. Motor de combustión interna con ciclo Otto ............................................................. 30 8.3. Motor Diesel............................................................................................................ 30 8.4. Turbina de gas ......................................................................................................... 30 8.5. Hornos industriales .................................................................................................. 30 8.6. Calderas de vapor de carbón pulverizado ................................................................. 30 9. Llamas ............................................................................................................................ 31 9.1. Propiedades de las llamas ........................................................................................ 31 9.1.1. Velocidad de reacción ...................................................................................... 31 9.1.2. Velocidad de difusión ...................................................................................... 32 9.1.3. Velocidad del frente de llama ........................................................................... 33 9.1.4. Factor de mezcla .............................................................................................. 34 9.2. Tipos de llamas ........................................................................................................ 35 9.2.1. Llama en régimen laminar ................................................................................ 35 9.2.2. Llama en régimen turbulento ............................................................................ 36 9.2.3. Llama de premezcla ......................................................................................... 36 9.2.4. Llama de difusión ............................................................................................ 36 9.2.5. Llama de premezcla parcial .............................................................................. 36 10. Emisiones, residuos y tratamientos .............................................................................. 37 10.1. Actividades fuente de emisiones .......................................................................... 37 10.2. Emisiones a la atmósfera ...................................................................................... 37 4 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla 10.2.1. Óxidos de azufre .............................................................................................. 38 10.2.2. Óxidos de nitrógeno ......................................................................................... 39 10.2.3. Óxidos de carbono ........................................................................................... 40 10.2.4. Partículas contaminantes .................................................................................. 41 10.2.5. Compuestos orgánicos volátiles (VOC) ............................................................ 42 10.2.6. Compuestos peligrosos ..................................................................................... 43 10.3. Residuos contaminantes líquidos .......................................................................... 43 10.3.1. Refrigeración del condensador ......................................................................... 44 10.3.2. Residuos de la manipulación de cenizas ........................................................... 44 10.3.3. Agua procedente de los parques de carbón........................................................ 44 10.3.4. Agua de desulfuración húmeda......................................................................... 44 10.3.5. Agua procedente de la limpieza de superficies de transferencia de calor ........... 45 10.4. Residuos contaminantes sólidos ........................................................................... 45 11. Programas ................................................................................................................... 46 11.1. Combustible sólido .............................................................................................. 46 11.1.1. Funcionamiento ............................................................................................... 46 11.1.2. Limitaciones .................................................................................................... 47 11.2. Combustible líquido ............................................................................................. 47 11.2.1. Funcionamiento .................................................................................................. 47 11.2.2. Limitaciones ....................................................................................................... 48 11.3. Combustible gas .................................................................................................. 48 11.3.1. Funcionamiento .................................................................................................. 48 11.3.2. Limitaciones ....................................................................................................... 49 11.4. Análisis de Orsat .................................................................................................. 49 11.4.1. Funcionamiento ............................................................................................... 50 11.5. Limitaciones generales ......................................................................................... 50 11.5.1 Teoricidad de los cálculos ..................................................................................... 50 11.5.2. Cálculo de propiedades ........................................................................................ 51 11.6. Consejos generales de uso .................................................................................... 52 11.7. Posibles desarrollos futuros .................................................................................. 52 Bibliografía............................................................................................................................. 53 5 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla 1. Resumen El presente documento es un Trabajo de Fin de Grado que trata sobre la combustión, resaltando los aspectos generales de esta reacción química desde el punto de vista de su uso para la producción de potencia. Se abordan, en un repaso teórico, desde aspectos fundamentales, como propiedades, elementos involucrados en la combustión y cálculos de parámetros principales; hasta algunas aplicaciones, tipos de combustibles más comunes y emisiones. Finalmente, el objetivo último de este trabajo es la creación de unas herramientas en Excel que permitan realizar una serie de cálculos relacionados con la combustión que se detallarán en el apartado 11, que incluyen los cálculos derivados de un análisis de Orsat realizado sobre productos de la combustión. Todo ello de forma automática añadiendo una serie de datos de partida del problema en cuestión. 2. Introducción La combustión es un proceso que se da en la naturaleza de forma natural, pero su mayor interés viene del aprovechamiento del ser humano de este fenómeno desde los principios de la humanidad. Según los autores Dr. Ing E. Brizuela, Dr. Ing. S. D. Romano, en su libro Combustión (2003), el empleo de esta reacción de forma intencionada es la base de nuestra civilización y el gran uso que hacemos de este proceso de obtención de energía supone la principal diferencia entre el hombre actual y el hombre primitivo. Actualmente el hombre consume dos tipos de energía en líneas generales, la eléctrica para la producción de bienes, y la química, para el transporte y la generación de energía térmica. La cantidad de energía consumida per cápita sigue diferenciando a los países más desarrollados de los menos. Por simplicidad se contabiliza la cantidad de energía eléctrica consumida per cápita, ya que es de la que se tienen más datos de producción y es en su mayoría, producida por procesos que involucran a la reacción de combustión. Datos del 2012, publicados por la CIA en su World Factbook, sitúan a Islandia (52.621 kWh/año habitante) y Noruega (24.558) a la cabeza del ranking, mientras que están al final países como Ruanda (20), Sierra Leona (10), Chad (8) o Afganistán (8). Esta diferencia abismal no se debe solo al grado de desarrollo, sino también a la falta de acceso a la electricidad de los países menos desarrollados. Sorprende un país como Kuwait (16.090) en la tercera posición. 2.1. Objetivo y alcance Este trabajo tiene como objetivo realizar un análisis de la combustión, describiendo los tipos que hay, parámetros que la caracterizan, aplicaciones, tipos de combustibles, etc. Se va a centrar en el uso de esta reacción para la producción de grandes potencias industriales, bien sea mecánica o eléctrica. Cabe destacar que esta segunda no deja de ser una aplicación 12 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla oxígeno se topen entre ellos más fácilmente, favoreciendo la reacción. El exceso de oxígeno es una de las características clave de una combustión, tanto que define el siguiente tipo de clasificación. 4.3. Cantidad de oxígeno la combustión Se refiere a la cantidad de oxígeno presente en la atmósfera en la que se produce la combustión. - Estequiométrica: la cantidad de oxígeno es la exactamente necesaria para oxidar todo el combustible. - Reductora o pobre: la cantidad de oxígeno es menor de la necesaria, por lo que la combustión no será completa. En estas condiciones, a la mezcla aire-combustible se le conoce como mezcla rica en combustible, o mezcla rica. - Oxidante o en exceso: la cantidad de oxígeno es mayor de la necesaria, por lo que se favorece que la combustión sea completa, ya que el combustible tiene más facilidad para encontrar oxígeno con el que reaccionar, aunque no tiene por qué ser necesariamente así. A la mezcla aire-combustible se le conoce en este caso como mezcla pobre. 5. Parámetros de la combustión En este apartado se van a definir algunos parámetros que caracterizan las condiciones en las que se produce la combustión y expresan de diversas formas las cantidades de productos y reactivos que participan en ella. 5.1. Poder comburívoro Es cantidad de aire seco para la combustión completa y estequiométrica del combustible. Depende de la cantidad de oxígeno en el aire, que de no estar enriquecido presenta la composición atmosférica, y de la cantidad de oxígeno necesaria para la reacción estequiométrica. 5.2. Poder Fumígeno Es la cantidad de gases producidos en la combustión completa y estequiométrica de la unidad de masa del combustible. Existen dos poderes fumígenos, el húmedo y el seco, dependiendo de si se contabiliza o no el vapor. 5.3. Oxígeno teórico (OT) o estequimétrico Es la cantidad de oxígeno mínimo necesario para reaccionar con el combustible de forma completa. Se calcula en función de la composición del combustible y las reacciones químicas básicas para pasar del estado elemental a su forma oxidada. 13 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla Cuando se tiene expresada dicha composición en porcentaje en peso, el oxígeno teórico se expresa de la siguiente manera: Esta fórmula viene de sumar el oxígeno que reacciona con los distintos elementos presentes en un combustible, y restar el que eventualmente pudiera venir con el combustible. Para ello hay que pasar de kg de cada elemento a kmol, dividiendo por su peso atómico o molecular. C 12 kg/kmol S 32 kg/kmol H  H2 2x1= 2 kg/kmol O  O2 2x16=32 kg/kmol A continuación se detallan de dónde vienen los números de los subíndices. H2 + 1/2 O2 = H2O  2H2 + O2 = 2H2O Esto significa, que por cada kmol de H2 reacciona medio kmol de O2, o lo que es igual, cada dos kmol de hidrógeno molecular, se necesita un kmol de oxígeno molecular. Si se tienen H kg de hidrógeno en un kg de combustible, se tendrán H/2 kmol de hidrógeno diatómico y H/4 pares de kmol de hidrógeno en dicha masa de combustible. Para hacer reaccionar a ese número de kmol de hidrógeno combinados de dos en dos, hacen falta otros H/4 kmol de oxígeno. De forma similar ocurre con el azufre, pero al ser la reacción 1 a 1 es más simple: S + O2 = SO2 En S kg de azufre por kg de combustible, se tienen S/32 kmol de azufre, cada uno de los cuales necesita un kmol de oxígeno para reaccionar, y por tanto, S/32. El caso del carbono es más singular ya que tienen lugar dos reacciones. En el cálculo del OT solo se tiene en cuenta la deseada, es decir, la completa en la que se oxida a CO2, pero también se produce la incompleta, en la que el producto es CO. C + O2 = CO2 C + 1/2 O2 = CO Si consideramos solo la completa, la cantidad de kmol de oxígeno que reacciona con el carbono es la misma que los kmol de carbono que se tienen, pues la reacción es 1 a 1, por lo tanto C/12. Sin embargo, si se quiere saber cuánto oxígeno reacciona de verdad, en principio el cálculo es algo más complejo, ya que la cantidad de oxígeno necesario 14 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla para la combustión depende de la cantidad de carbono que se oxide de forma completa o incompleta. En la práctica esto se sabe por un análisis de la composición de los humos de escape. Se suele emplear las letras a y b para referir respectivamente a los kg de C por cada kg de combustible que reaccionan de forma completa e incompleta. De esta forma se tienen a/12 y b/12 kmoles que reaccionan a dióxido y monóxido. Según las reacciones químicas, un kmol de carbono que reacciona a CO2 necesita un kmol de O2 para ello, luego contribuye con a/12 kmol de O2 a la demanda de oxígeno. Por el contrario, 1 kmol de carbono que reacciona a CO necesita solo medio mol de oxígeno, contribuyendo esta vez con b/24 kmol a la demanda de oxígeno. En base a lo anteriormente descrito, la expresión del O que en principio reacciona queda como sigue: Como se puede apreciar aparece un término negativo, y es que si el combustible trae consigo una determinada masa de oxígeno que reduce la demanda de kmol. Los kmol de oxígeno se calculan dividiendo por el peso molecular del O2, 32 kg/kmol. De ahí viene el término O/32. 5.4. Exceso de aire (n) Es en porcentaje, la cantidad de aire en exceso sobre el teórico. Sea el aire introducido AR, y AO el que hará falta para obtener una cantidad de oxígeno igual a OT, se define n como: . De esta manera se tiene expresado de forma porcentual, aunque también es habitual que se vea en tanto por uno. 5.5. Oxígeno introducido (OI) Es el producto del oxígeno teórico por el exceso de aire. Cabe destacar que, sabiendo el contenido en oxígeno del comburente, en general el aire atmosférico, se puede hablar indistintamente de oxígeno o de aire en los parámetros que tienen que ver con el oxígeno, como el OT, el OI, etc. 5.6. Volumen de humos secos (vfs) Es la cantidad de humos secos por kg de combustible expresados en unidad de volumen, normalmente en Nm3 (metros cúbicos en condiciones normales). Se componen de los productos de la reacción (CO, CO2, SO2) el oxígeno que no ha reaccionado y el nitrógeno introducido con el comburente. De forma general también se tendrá carbono inquemado, que se denota por el símbolo CR, en forma de partículas sólidas llamadas hollín. Al ser un sólido no se contabiliza dentro del volumen de gases, pero se ha de tener en cuenta para ver el oxígeno que no ha reaccionado. Los kmol de productos se calculan fácilmente a partir de las reacciones que ya se han visto. En el caso de CO2 y SO2 se forman los mismos kmol de estas sustancias como 15 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla kmol se consumen tanto de C y S, como de O2. En el caso del CO, se forman el doble de kmol de monóxido que los kmol de oxígeno consumidos en su proceso de formación. Habiéndose establecido todas estas cantidades, se tiene: Respecto al oxígeno sin reaccionar, este proviene de tres fuentes. La primera es todo el oxígeno por encima del estequimétrico que se ha introducido, es decir que si se introduce n·OT, y se supone que reacciona OT, el restante será (n-1)·OT. Por otro lado, están las cantidades de oxígeno que no han reaccionado como cabría esperar, que son las debidas al CO y al carbono inquemado, CR. En el caso del CO se sabe que necesita medio kmol de oxígeno para reaccionar con un kmol de C, mientras que en la reacción completa se necesitaba uno entero. De acuerdo a la reacción química esto supone que, si se han producido b/12 moles de CO, han reaccionado como ya se ha visto b/24 moles de O2, mientras que se han dejado de consumir otros tantos moles de O2, que lo habrían hecho de haber tenido lugar la combustión completa. Por lo tanto, en el oxígeno que aparece en los humos secos se tiene un término b/24 que refiere a lo desarrollado en este párrafo. Por otro lado se tiene la masa de carbono sin quemar, CR, que habría reaccionado de forma ideal de igual manera que el carbono que lo hace a CO2, es decir, 1 a 1. Por lo tanto han dejado de reaccionar tantos kmol de O2 como kmol de carbono se tengan en los CR kg de carbono inquemado por kg de combustible, es decir, CR/12. Por último se tiene al nitrógeno, que considerando al comburente aire por defecto, se encontrará en una proporción de 79/21 respecto del oxígeno total introducido, n·OT. Por tanto se tiene el término 79/21·n·OT. Normalmente se evita el tener que colocar la fracción y se escribe directamente su resultado, 3,76. La expresión queda finalmente así: Para expresarlo en m3 en condiciones normales se multiplica por el factor 22,4 [Nm3/ kmol], quedando el resultado tras la operación expresado en [Nm3/ kg de combustible]. Dentro de este apartado hay que reseñar cómo se realiza el cálculo del carbono sin quemar. Éste es filtrado del resto de los humos junto con los restos de cenizas que pudiera haber, de manera que de todo el residuo sólido que se obtiene, solo una parte es carbono inquemado, siendo el resto ceniza volante de la que venía con el combustible, P. Para determinar la cantidad de carbono en las cenizas, se extrae una muestra y se quema en unas determinadas condiciones. La pérdida de peso corresponde a la combustión de dicho carbono. 16 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla Si se considera un kg de residuo, una parte, CR’, será carbono inquemado, y el restante, (1CR’), serán cenizas. Esto no se encuentra en la base de cálculo en la que se expresan los demás parámetros, el kg de combustible, sino que vienen expresados por kg de residuo analizado. Para expresarlo en la base deseada se hace la siguiente operación: 5.7. Volumen de humos húmedos (vfh) El volumen de humos húmedos es la cantidad de humos totales que se tienen en la salida de un proceso de combustión y contabiliza, además de los humos secos del apartado anterior, el vapor de agua que se tiene. Existen diversas fuentes de este vapor: - Combustión del hidrógeno: la oxidación del hidrógeno produce agua, y a las temperaturas a las que se producen, esta agua está en estado líquido. La cantidad de hidrógeno por kg de combustible es H, que en kmoles es H/2. Esta cantidad de moles reacciona con oxígeno para dar la misma cantidad de kmol de H2O, luego se producen H/2 kmol de agua. - Humedad del combustible: esta fuente es propia de combustibles sólidos y está especialmente presente en la biomasa, aunque se tiene también en el carbón y en algunos carbones en grandes cantidades como se verá en el apartado 7.1.1. . Esta agua tiene un efecto negativo, ya que al estar ya oxidada no libera ninguna energía, sino que la absorbe en su proceso de evaporación y sobrecalentamiento. La cantidad de masa de agua por kg de combustible se denota por W, siendo el número de moles esta cantidad entre el peso molecular del agua, es decir, W/18. - Humedad del aire: el aire atmosférico contiene una cierta humedad que puede ser determinada mediante dos propiedades del mismo siendo una habitualmente la temperatura de bulbo seco, que es la temperatura habitual con la que se suele trabajar, y otra que puede ser la humedad relativa, la entalpía, la temperatura de bulbo húmedo, etc. En realidad son tres variables las necesarias, pero por defecto la presión es la atmosférica y es prácticamente tomada como una constante. La forma de calcular la humedad existente es mediante la propiedad conocida como humedad absoluta (w), que se mide en g de agua por kg de aire. Dividiendo por 1000 se tiene directamente en kg agua por kg de aire, lo que es más útil para el cálculo. Los kg de agua introducida con el aire se calculan como el producto del aire introducido, por su humedad en kg, es decir: 17 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla Para expresarlo en kmol, nuevamente se divide por su peso molecular, 18. Con todo esto se puede calcular el volumen de humos húmedos: Para expresarlo en Nm3 se usa el factor ya mencionado de 22,4 Nm3/kmol. Cabe destacar, que si las condiciones no fueran las normales, se podría utilizar la ley de los gases ideales de la siguiente manera: 6. Propiedades de combustibles El combustible es el elemento fundamental que caracteriza la combustión, pues el oxígeno es factor común de todas estas reacciones, y el resto de sustancias que componen el comburente tienen una importancia menor dado que en su mayoría es nitrógeno que por lo general no reacciona, o al menos se trata de que esto sea así. Dos de las propiedades más importantes son la composición y el estado físico. Aparte de estas hay muchas tal y como indica en libro Combustión (2003) en su capítulo 1.4 Propiedades de combustibles, que son otras como viscosidad, densidad, poder calorífico, límite de inflamabilidad, temperatura de ignición, temperatura de combustión o contenido en azufre. 6.1. Composición La composición es una propiedad que define el conjunto de sustancias que componen un combustible y la proporción en la que se encuentran. Como ya se ha descrito en el apartado 3.1, la composición puede venir definida de diferentes maneras, siendo en general unas u otras más típicas según el estado de agregación. Por ejemplo, el uso de la fracción en masa suele ser más típico de los combustibles sólidos, ya que la masa es una propiedad fácil de medir para combustibles en este estado. Si hablamos de combustibles gaseosos, es habitual acotar su composición como una mezcla de gases, y por tanto en fracción volumétrica. Esto es así debido a que, dadas unas condiciones de composición y temperatura igual para todos los gases que conforman la mezcla, todos ocuparán un volumen de forma proporcional a la cantidad de moles de cada sustancia que se tienen. Si los combustibles son muy puros, es decir, su composición se corresponde en su mayoría a especies fácilmente identificables como compuestos o sustancias, se puede usar la formulación química para expresar su contenido. 18 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla Es importante destacar que dada cualquiera de estas formas, y sabiendo las condiciones de P y T, así como los pesos moleculares, se puede pasar de la formulación química o la mezcla de gases a la composición en fracción en peso. Por ejemplo, si se tienen una mezcla de gases, sabiendo P y T se pueden calcular los moles. Una vez calculados, multiplicando cada mol de combustible por el peso molecular de la sustancia, se tiene el combustible en forma de masa, por lo que solo hay que ver los componentes que se tienen siguiendo la proporción del combustible, en un kilogramo del mismo. De la misma manera, un combustible dado por su formulación química se puede pasar a masa teniendo una unidad de volumen y la densidad en caso de un líquido, o las condiciones de P y T en el caso de un gas. Siguiendo un proceso parecido al anterior mediante el uso de pesos moleculares y reglas de tres para mantener las proporciones, se puede obtener la composición por fracciones en peso por kg de combustible. 6.2. Viscosidad La viscosidad es una propiedad independiente de la cantidad de materia que es importante en líquidos. A mayor viscosidad, mayor resistencia presenta un líquido a fluir por un conducto, provocando mayores pérdidas de carga y llegando al límite de no poder hacerse circular. Esta propiedad para cada fluido depende fuertemente de la temperatura de dicho fluido. 6.3. Densidad La densidad es una propiedad no solo de los combustibles, sino de todos los materiales, y nos da información de cómo de esparcida en el espacio está una determinada masa de un material, es decir, cuanto volumen ocupa. Un material más denso, teniendo la misma masa y por lo tanto peso que otro de menor densidad, ocupa un volumen menor. En el caso de los combustibles esto se usa para líquidos y sólidos, ya que en los gases la densidad depende de las condiciones de almacenamiento, más concretamente de nuevo de P y T. 6.4. Poder calorífico El poder calorífico es la cantidad de energía liberada durante la combustión de un combustible por unidad de masa. Siendo esta energía el efecto útil, directo o indirecto como se verá en el apartado 8 de aplicaciones, se puede decir en líneas generales que cuanto mayor es el poder calorífico mejor es el combustible, aunque a la hora de elegir entre uno u otro hay otros aspectos a valorar como los de tipo práctico o técnico y el económico. El poder calorífico es una de las propiedades principales de los combustibles y depende fuertemente de la composición y de cómo estén unidos los átomos de los distintos compuestos, es decir, de su estructura molecular. Esto es de especial interés en hidrocarburos, ya que dos sustancias pueden tener la misma composición pero estar sus elementos estar agrupados de maneras distintas. Estos son los llamados isómeros y, dado que no tienen la misma entalpía de formación al haber enlaces distintos, unos más fuertes que otros, tampoco han de liberar la misma 19 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla cantidad de energía en el conjunto de las reacciones que llevan a estos compuestos hasta las reacciones de combustión básicas. Se puede de forma general decir que cuanto más fuerte sean los enlaces de las moléculas, más energía de activación hará falta para iniciar la reacción de combustión. Luego se tiene que en un proceso de combustión continuo, parte de la energía liberada por la combustión se absorbe en forma de energía de activación de un combustible posterior, por lo que de forma efectiva el calor aprovechable es menor. 6.5. Límite de inflamabilidad Es la proporción entre que debe haber entre un combustible y el oxígeno compatible con el proceso de combustión. Si esta relación es muy baja, no habrá oxígeno suficiente, mientras que si es muy alta, lo que escaseará será el combustible. Dentro de esos límites esta reacción es posible. La siguiente tabla muestra algunos ejemplos. Tabla 3: límites de inflamabilidad. Combustión (2003) 6.6. Temperatura de inflamación Es la mínima temperatura a la que un combustible arde en contacto con aire y una llama que aporta la energía de activación. Es estas condiciones, si se retira la llama, la combustión se detiene. 20 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla 6.7. Temperatura de ignición Es la temperatura mínima que es capaz de mantener la reacción de combustión mientras haya aporte de oxígeno y combustible. En toda reacción química hay una energía de activación necesaria para iniciar la reacción por pequeña que sea. Esta temperatura hace que no sea necesario aportarla de forma externa a la reacción, sino que el propio calor desprendido por la combustión sirve de energía de activación para reacciones posteriores. Este calor se encuentra almacenado en los gases de la atmósfera de la combustión en forma de temperatura, siendo la mínima la mencionada temperatura de ignición. 6.8. Temperatura de autoignición Es la temperatura de un material por encima de la cual empieza a reaccionar con el aire en un proceso de combustión espontáneo, es decir, sin ninguna otra fuente de energía que aporte la energía de activación. Es una temperatura específica de cada material, o en este caso más concretamente, del combustible. 6.9. Temperatura adiabática Es la temperatura máxima alcanzable en una atmósfera de combustión. Esta temperatura constituye un límite teórico de la temperatura del hogar y supone que no hay transferencia de calor en el mismo, solo calor que sale con los productos de reacción. De esta forma todo el calor producido por el combustible se invierte en aumentar la temperatura de las masas de gases de dicha atmósfera de combustión. Es una temperatura que depende pues del combustible y de los gases que se obtienen como productos de la combustión. Se calcula por medio de un balance de energía en el hogar expresado en las siguientes ecuaciones: A continuación se pasa a desarrollar cada uno de estos términos: - El calor introducido se debe a la entalpía que tiene el aire y el combustible por estar a una cierta temperatura: - El calor de salida es el que se escapa en los productos de la reacción por estar también a una cierta temperatura. En la expresión anterior se puede expresar: ) - Por su parte el calor generado es la masa de combustible multiplicada por su poder calorífico. 21 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla - El cálculo del calor transferido dependerá de cada aplicación, aunque no es de interés en este apartado, ya que se considera nulo. Si se considera la temperatura de referencia igual a la de entrada, se simplifica la ecuación eliminando el término de la entrada, y además, dado que la transferencia de calor es nula, la temperatura del hogar será constante e igual a la temperatura adiabática. Es por tanto que se considera la temperatura adiabática como una propiedad del combustible, ya que de su composición depende la temperatura, el volumen, el PCI y el Cp medio entre las temperaturas de referencia y adiabática, que es una ponderación del calor específico de los gases que se obtienen como producto de la combustión. No obstante, posee también dependencia de la temperatura de entrada y la de referencia, que para poder usar la expresión anterior han de ser iguales. 6.10. Contenido en azufre El contenido en azufre es la cantidad de azufre que posee un combustible y se extrae directamente de la composición. Es relevante para el cálculo de los productos que se obtienen como resultado de la combustión en presencia de este elemento, cuyas características se verán en el apartado 10.2 de contaminantes atmosféricos, y que requieren de un tratamiento especial para minimizar su emisión o impacto en el medio ambiente. 7. Tipos de combustibles En el apartado 3.1 ya se definió a los combustibles. Según el libro Combustión (2003), hay diversos tipos de combustibles y se van a clasificar a continuación por familias: - Combustibles de origen orgánico vegetal: como la madera, carbón de leña, biomasa en general (residuos agrícolas, forestales, residuos sólidos), polvo de sustancias orgánicas (cereales, harinas, serrín…) - Combustibles de origen fósil: carbón mineral, petróleo. El petróleo es tan ampliamente utilizado y posee tal variedad de combustibles que merece un grupo por sí solo. - Combustibles derivados del petróleo: naftas, gasolinas, gasóleos, queroseno, fueloil, alcoholes, gas licuado del petróleo, polímeros… - Combustibles gaseosos: gas natural, gas licuado del petróleo, gas de agua, polímeros… - Otras sustancias combustibles: existen algunos más exóticos como metales (magnesio, titanio, aluminio) y no metales (boro). 28 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla 7.2.3. Propiedades relevantes en los combustibles líquidos A la hora de tratar con estos combustibles se usan propiedades ya vistas en el apartado 6, como el poder calorífico, o la viscosidad. Esta última es de especial relevancia en estos combustibles, ya que al igual que los gases son fluidos, pero ente caso mucho más viscosos, y en multitud de aplicaciones son conducidos por tuberías, donde esta propiedad es determinante para calcular la cantidad de energía que se requiere para ello. La densidad relaciona la masa del combustible con el volumen que ocupa, por lo que es asimismo otra característica de gran uso, ya que estos combustibles se almacenan en volumen, pero muchas propiedades, como el poder calorífico, vienen referidas a la masa. De igual manera, para las reacciones que tienen lugar durante la combustión se utilizan cantidades de materia para el cálculo, por lo que relacionar masa y volumen es fundamental. Otras propiedades se vuelven relevantes en este estado. Es el caso del punto de congelación, del cual no tiene sentido hablar para sólidos, ya que ya se encuentran en ese estado, y en general tampoco en gaseosos, ya que las condiciones para que estos combustibles se congelen son muy extremas. No obstante, en algunas aplicaciones muy específicas, como pueden ser las espaciales, si adquiere importancia esta propiedad en combustibles gaseosos. En los combustibles líquidos sí es de relevancia el punto de congelación, ya que al estar en estado líquido es propenso a congelarse a temperaturas que se pueden dar en el exterior y puede causar problemas. 7.3. Combustibles gaseosos: gas natural y gas licuado del petróleo Se consideran dentro de este apartado los que presentan un estado gaseoso en condiciones de presión y temperatura ambientes, aunque muchos de ellos se suelen almacenar licuados. 7.3.1. Tipos de combustibles gaseosos Los dos gases más utilizados como combustibles son el GLP y el gas natural. 7.3.1.1. GLP o gas licuado del petróleo El GLP es una mezcla de hidrocarburos ligeros que provienen del petróleo y que se encuentran en estado gaseoso en condiciones de presión y temperatura ambientes. También pueden ser obtenidos por tratamientos del gas natural. En general las cadenas de hidrocarburos básicas que se tienen son bastante más simples que en el caso de los hidrocarburos líquidos. Este hecho está relacionado íntimamente con que sean más volátiles, ya que al ser su más corta y por tanto, con menor peso molecular y número de enlaces, se requiere menos energía en la evaporación. Los más habituales se pueden clasificar en los siguientes grupos: - Grupo C3: están formados por mezclas de hidrocarburos de tres átomos de carbono por cadena, siendo de las más comunes el propano, el propeno y el propileno. - Grupo C4: están formados por mezclas de hidrocarburos de 4 átomos de carbono por cadena, siendo las más comunes el butano, el buteno y el butileno. - Mezcla de C3 y C4 en cualquier proporción. 29 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla 7.3.1.2. Gas natural El gas natural es un combustible de tipo fósil que se almacena en bolsas en el subsuelo bien de forma independiente, lo que se conoce como gas libre, o bien de manera anexa a yacimientos de petróleo o carbón. Su composición es principalmente metano (CH4) en un rango de 79-97 % en volumen, además de otros gases en mucha menor cantidad como etano, propano, butano, nitrógeno o dióxido de carbono; e impurezas como agua, derivados del azufre, etc. Está considerado el combustible de tipo fósil con menor impacto ambiental de todos, ya que apenas tiene elementos que no sean carbono e hidrógeno, por lo que se puede considerar que solo emite como productos de la combustión CO2 y H2O, y al estar formado en su mayoría por la cadena de hidrocarburos más corta posible, el metano, emite menos dióxido de carbono por MJ de calor que produce en la combustión, ya que gran parte del poder calorífico proviene de la combustión del hidrógeno, cuyo producto es agua. Empleando el programa de cálculo para combustibles gaseosos, un gas natural con 95% de metano y 5% de etano, produciría 0.055 kg CO2 por MJ de calor generado, mientras que un gas con 95% de butano y 5% de etano, parecido al que se usa domésticamente, produciría 0.066 kg CO2 por MJ, un 20% más. Tiene amplio rango de aplicaciones, como calefacción en calderas, producción de energía en centrales de ciclos combinados, y algunas más modernas como el gas natural vehicular que se usa en el sector del transporte o la pila de combustible para la generación de energía eléctrica en coche de hidrógeno. 7.3.2. Propiedades de los gases Para los gases se usan también propiedades comunes a todos los combustibles como el PC o la composición, que lo caracteriza como uno u otro gas. Aparte de éstas, dos de las más importantes son la temperatura y la presión, ya que determinan la densidad, que al igual que los líquidos nos indicaba la cantidad de masa que se tenía con un determinado volumen de fluido almacenado. Por tanto, para hablar de un volumen de gas y que exprese de forma unívoca una cantidad de masa, como ya se ha comentado en apartados anteriores, se suelen usar las condiciones normales. De esta forma se pueden referir propiedades extensivas, las que dependen de la cantidad de materia, a la unidad volumétrica de referencia, que es la que físicamente se maneja al trasegar un gas. 8. Aplicaciones más destacables y equipos La combustión tiene aplicaciones muy extensas, desde las más básicas, como su uso en chimeneas para calefacción, como diversas aplicaciones industriales. En los siguientes subapartados se describen algunas de ellas. 30 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla 8.1. Quemadores de gas Son un tipo de quemadores en los que el gas combustible suele llevar su propio aire, y en general son llamas llamadas de premezcla. Se usa, por ejemplo, en las calderas murales de producción de ACS, comúnmente conocidas como termostatos de agua caliente. 8.2. Motor de combustión interna con ciclo Otto Son los motores de gasolina de combustión interna alternativos de los automóviles. En ellos se inyecta combustible líquido pulverizado a una masa de aire comprimido. El aumento de temperatura provocado por la combustión en un recinto confinado, provoca una expansión de los productos de la reacción, cuya fuerza sobre un pistón es aprovechada para producir un trabajo mecánico. 8.3. Motor Diesel Es el otro tipo fundamental de los motores de combustión interna alternativos, conocidos así por el ciclo Diesel que emplean. Éstos utilizan un combustible más pesado, el gasóleo, por lo que debe ir premezclado con aire para asegurar su correcta evaporación. Esta mezcla es la que se comprime y posteriormente se hace combustionar, provocando el mismo efecto que en los motores de ciclo Otto, obteniéndose igualmente un trabajo en la expansión. Guardan muchas similitudes y también muchas diferencias que se alejan del objetivo de este trabajo. 8.4. Turbina de gas Es un turbo motor de combustión externa que se usa para la producción de energía mecánica, principalmente para la propulsión, bien sea de buques o aeronaves, y para la generación de electricidad. Está formado en su concepción más simple por un compresor, una turbina y una cámara de. El compresor, movido con parte del trabajo obtenido de la turbina, comprime el aire, que pasa a la cámara de combustión donde se inyecta el combustible y se eleva su temperatura. La masa de gases provenientes de la combustión, a alta temperatura y presión, se hace circular por la turbina, la cual absorbe gran parte de su energía y gira a gran velocidad, obteniéndose así potencia en el eje de la turbina. 8.5. Hornos industriales Un horno es un equipo en cuyo interior se produce una combustión para aprovechar la energía liberada y transferirla al producto, el cual también se encuentra en el interior de dicho horno. Se diferencia de las calderas en que en las calderas no se calienta un producto, sino un fluido intermedio. 8.6. Calderas de vapor de carbón pulverizado En las calderas, como se ha mencionado, se calienta un fluido intermedio que no es el producto final que queremos obtener de nuestro proceso industrial. Una de las más representativas dentro del sector industrial es la caldera de vapor, siendo la más común la que usa carbón pulverizado como combustible. Está constituida por una serie de equipos dedicados al intercambio de calor entre los productos de la combustión del carbón pulverizado, que se produce en su interior, y el fluido de trabajo, en 31 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla este caso agua-vapor. El vapor producido en estas calderas se usa generalmente para mover una turbina de vapor para la producción de energía eléctrica. Es por tanto objeto de este trabajo, y en apartados posteriores se analizará en más detalle el rendimiento de estos equipos. 9. Llamas La llama es la región del espacio en una atmósfera de combustión donde se produce la reacción, separando a un lado los reactivos y a otro los productos. Se caracteriza por tener luminosidad y colores brillantes como consecuencia de la energía desprendida en dicha reacción. 9.1. Propiedades de las llamas Las llamas presentan una serie de magnitudes y características que provocan efectos importantes en ellas, hasta el punto de hacer que la llama sea de uno u otro tipo. Algunas de dichas magnitudes se van a ver en los siguientes apartados. 9.1.1. Velocidad de reacción La velocidad de reacción es una rama del estudio de la cinética química que trata de determinar el tiempo en desarrollarse una reacción química, en este caso la combustión, desde el momento en que esta se inicia. Se rige por la Ecuación de Arrhenius, y depende de: - Las concentraciones de los participantes en la reacción, en este caso, del combustible (CCB) y el oxígeno (CO2). - Los órdenes parciales (α y β) que son los exponentes a los que van elevados las concentraciones y que en general no coinciden con los coeficientes estequiométricos. Esto es debido a que la mayoría de las reacciones transcurren en varias etapas, por lo que sí son iguales en las reacciones elementales o de 1 etapa. - La energía de la activación, Ea que se mide en unidad de energía por mol de sustancia. Como es natural, mientras mayor sea la energía necesaria para comenzar una reacción, más difícil será que una reacción comience, y por lo tanto menor será su velocidad de reacción. Esto se expresa matemáticamente en que el término exponencial será cada vez más pequeño. - La temperatura absoluta (T) en K y la constante R universal, 8.31445 JK-1mol-1, o lo que es lo mismo, una temperatura alta aumenta la velocidad de agitación de los átomos, por lo que habrá más colisiones y favorecerá una reacción rápida, aumentando su velocidad. - El coeficiente A0, que mide la frecuencia de colisiones. Según la teoría de colisiones, la reacción entre dos átomos se produce tras un choque de dos sustancias reactivas, por lo que mientras mayor sea este número, mayor será la velocidad de la reacción. La ecuación es: 32 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla A continuación se muestra una tabla con los valores de algunos parámetros de esta ecuación para ciertos combustibles. Fuel A0 (mol/cm3)^1a·b/s Ea (J/mol) a b CH4 8.30E+05 7166.75 (30 kcal) -0.3 1.3 C2H6 1.1E+12 7166.75 0.1 1.65 C3H8 8.6E+12 7166.75 0.1 1.65 C4H10 7.4E+12 7166.75 0.15 1.6 C5H12 6.4E+12 7166.75 0.25 1.5 C6H14 5.7E+12 7166.75 0.25 1.5 C7H16 5.1E+12 7166.75 0.25 1.5 C8H18 4.6E+12 7166.75 0.25 1.5 C9H20 4.2E+12 7166.75 0.25 1.5 Tabla 6: Coeficientes de la ecuación de la velocidad de reacción de distintos combustibles. Generación de energía térmica. Lección 2: Conceptos básicos sobre combustión. Departamento de Termotecnia. Universidad de Sevilla 9.1.2. Velocidad de difusión La difusión es un movimiento de partículas de una sustancia en un medio en el que inicialmente no se encontraba. Aplicada a gases es la dispersión gradual de un gas en el seno de otro. En este proceso físico aumenta la entropía, por lo que es un proceso que se da de forma espontánea. Aplicado a la combustión, la velocidad de difusión es la velocidad con la que se propagan y mezclan el combustible en el comburente, que se encuentra en mayor cantidad. En 1829, el químico escocés Thomas Graham estableció que las velocidades de difusión de los gases son inversamente proporcionales a las raíces cuadradas de las densidades de dichos gases. Es decir, que a mayor densidad de un gas, menor velocidad de difusión. Posteriormente, en 1860, el mismo Graham demostró que la velocidad de difusión de una sustancia era inversamente proporcional a la raíz de la masa molar de la sustancia, luego sustancias más pesadas tardan más en difundirse, y su combustión, contando el proceso de difusión, es más lenta. 33 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla Conviene notar que, dados dos gases en las mismas condiciones de presión y temperatura, un mol de cada sustancia ocupará el mismo volumen. Si una sustancia tiene un peso molecular mayor que la otra, un mol de dicha sustancia tendrá una mayor masa, y por lo tanto ese gas tendrá una mayor densidad. Es por tanto que, como ya advirtió Graham, hablar de peso molecular o densidad es equivalente. 9.1.3. Velocidad del frente de llama El frente de llama es la zona del espacio donde se produce la reacción de combustión y que conforma la llama. La velocidad del frente de llama es la velocidad a la cual esta región se va desplazando desde la zona de reactivos hacia la zona de productos. Para ilustrar más claramente este concepto, se va a considerar un tubo lleno de combustible y comburente, abierto por ambos extremos, donde comienza una combustión en uno de ellos. Ilustración 1: Tubo con combustible y comburente. Velocidad del frente de llama Transcurrido y cierto lapso de tiempo, la llama se habrá desplazado hacia el otro extremo, dejando a su paso productos de la reacción. La velocidad a la que la llama se desplaza es lo que se conoce como velocidad de llama. Su expresión viene dada por la ecuación: De donde: PC: poder calorífico : velocidad media de reacción K: constante que expresa la trasferencia de calor necesaria para llegar de la T inicial a la T de inflamación. ρ: densidad de la mezcla de gases : calor específico a presión constante. Tinicial: temperatura inicial de la mezcla de gases 34 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla Tadiabática: como ya se vio en el apartado 6.10. , la temperatura adiabática es la máxima alcanzable en el hogar, que es la que se produce para un determinado combustible y unas temperaturas de entrada y de referencia, cuando el calor transferido es nulo. Sin desarrollar mucho los conceptos se puede ver que la velocidad del frente de llama es proporcional al calor que se produce en la reacción por medio del PC, a la cercanía a la T de inflamación por medio del factor k, a la velocidad de reacción media. Por otro lado, la llama se propagará más despacio cuanto mayor sea la densidad de la mezcla al haber más masa en el volumen, cuanto más calor se absorba en esa masa, y cuanto más lejos este la temperatura inicial de la adiabática. A continuación se muestra una tabla con ejemplos de velocidades de llamas para distintos combustibles combinados con aire. Mezcla gaseosa Velocidad de llama máxima (cm/s) Metano-aire 45 Etanoaire 48 Propano-aire 46 n-Heptano-aire 43 Acetileno-aire 160 Etileno-aire 79 Benceno-aire 45 Hexano-aire 4 Hidrógeno-aire 350 Metano-oxígeno 450 Acetileno-oxígeno 1140 Hidrógeno-oxígeno 1400 Tabla 7: velocidades de llama máximas de gases puros a 1 atm y 298K. Generación de Energía Térmica. Lección 2: Conceptos básicos sobre la Combustión. Grupo de TermotecniaDpto. Ingeniería Energética. Universidad de Sevilla 9.1.4. Factor de mezcla Es un factor adimensional notado con la letra f, que se obtiene de realizar varias simplificaciones a las ecuaciones de conservación en 1 dimensión de la energía, la masa y la cantidad de movimiento. Es una función de cada punto del hogar en función de la composición, y, siendo s el OT, su expresión es la siguiente: 35 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla Para una llama de difusión pura, no habrá combustible en el comburente, ni comburente en el combustible. En este caso, este factor se encuentra entre 0 y 1 por definición, siendo 0 para una región en la que solo existe comburente, y valiendo la unidad en una región donde solo hay combustible. Si además el comburente es aire, en el comburente es 0.23, la fracción másica del oxígeno en el aire atmosférico. Esta función alcanza un valor concreto en la llama, el valor estequimétrico o . Es decir, todo lugar del hogar cuya composición haga que esta función alcance el valor estequimétrico pertenece a la llama. En estos puntos, al mezclarse el combustible y el oxígeno y reaccionar, ambos valores son cero, por lo que su expresión es: 9.2. Tipos de llamas Las llamas se pueden clasificar según el régimen sea laminar o turbulento, o por otro lado, según el combustible y el comburente estén mezclados o no antes de ser añadidos al proceso de combustión. El régimen viene determinado por el número adimensional de Reynold (Re), y caracteriza muchas propiedades fluidodinámicas. El Re relaciona la densidad, la velocidad, una dimensión característica de longitud y la viscosidad. Establece una comparación entre la influencia de las fuerzas viscosas y convectivas de la ecuación general que gobierna el movimiento de los fluidos, la de Navier-Stokes. Según esto, un Re de 1000 indica que las fuerzas convectivas son 1000 veces mayores que las viscosas. De la misma manera también diferencia entre régimen laminar y turbulento, cuya frontera se encuentra en un Re aproximadamente igual a 2000. 9.2.1. Llama en régimen laminar Como ya se ha mencionado, el régimen laminar se presenta en fluidos con un Re aproximadamente menor que 2000. El régimen laminar se caracteriza por flujo ordenado de un fluido, donde las partículas fluidas siguen caminos paralelos, llamados líneas de corriente. Al tener un Re bajo esto también implica gran influencia de las fuerzas viscosas. Las llamas en este régimen son características den quemadores pequeños, como pueden ser los quemadores de una caldera mural en un equipo de producción de ACS doméstico. 36 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla 9.2.2. Llama en régimen turbulento El régimen turbulento se dan en fluidos cuyos Re son mayores de 2000, pero no inmediatamente mayores, sino del orden de 3000. Entre ambos números se tiene lo que se denomina régimen de transición, que no es claramente uno u otro, sino una mezcla de ambos. Bajo este régimen, el fluido sigue un flujo desordenado y caótico, en el cual las líneas de corriente ya no son paralelas como en el régimen laminar, sino que se mezclan y entrecruzan. Estas llamas son típicas de las combustiones de la inmensa mayoría de los procesos industriales. De las aplicaciones resaltadas en el apartado 8, todas menos la primera, se producen en condiciones de régimen turbulento. 9.2.3. Llama de premezcla En este tipo de llamas el combustible y el comburente están completamente mezclados antes de llegar a la zona donde se produce la combustión. En estas condiciones, la velocidad de la llama está determinada por la velocidad de reacción. La longitud de la llama depende de conjuntamente de la velocidad de la reacción o de la llama, y de la velocidad con la que se añade el combustible. Dado que la velocidad de la llama es constante, si la velocidad de adición de combustible premezclado es la misma, la longitud de la llama será constante. De otra manera, la llama se irá acercando al orificio del quemador si la velocidad de la llama es mayor, o alejando si es superior. 9.2.4. Llama de difusión En este tipo de llamas, el combustible y el comburente han sido introducidos por separado, por lo que han de mezclarse y alcanzar los límites de inflamabilidad en un proceso de difusión antes de producirse la combustión. Una vez me que esto se produce, la reacción se producirá a velocidad de la reacción, la cual sigue leyes de velocidad propias de la cinética química. Dado que la velocidad con la que se produce la difusión es varios órdenes de magnitud mayor que la velocidad de reacción, se puede decir que el proceso prácticamente está determinado por la velocidad de difusión, es decir, que es la velocidad controlante. Es por tanto que la estructura de la llama también está controlada por este fenómeno previo a la reacción. 9.2.5. Llama de premezcla parcial Existe un grupo de llamas en las que parte del comburente contiene combustible premezclado, mientras que otra parte no. En estas condiciones se tienen dos frente de llama, uno de premezcla y otro de difusión, y se usan en aplicaciones en las que se busca un control más flexible de la forma y el tamaño de la llama mediante la variación de la fracción del aire que se premezcla con el combustible, el aire primario. 37 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla 10. Emisiones, residuos y tratamientos Hasta este punto se ha abordado la combustión desde la visión de las aplicaciones y características de todos los elementos involucrados en ella que aportan algo positivo en su uso. En este apartado se va a tratar el aspecto negativo de la reacción más ampliamente utilizada en la historia de la humanidad, las emisiones y los residuos, además de posibles tratamientos para reducir ambos. De la misma manera que se ha hablado durante todo el trabajo de procesos de combustión causados por el hombre, también se van a tratar los contaminantes de origen antropogénico a causa de dichos procesos. No obstante existen contaminantes que se emiten de forma natural, como en el caso de las erupciones de los volcanes. Por ser considerada uno de los combustibles más contaminantes, este apartado se va a centrar en tratar las emisiones y residuos derivados de la combustión del carbón. Se mencionarán por encima aquellas que, siendo del carbón, puedan constituir también emisiones de otros combustibles que se usen en otras tecnologías. Las emisiones de la combustión no son más que los citados productos de la combustión que son liberados a la atmósfera en general como gases o partículas sólidas de muy pequeño tamaño y que flotan en el aire, mientras se suele referir a residuos cuando se habla de líquidos o sólidos. 10.1. Actividades fuente de emisiones Según el tipo de actividad, podemos clasificar las fuentes de emisiones en tres grupos. - Estacionarias: se encuentras fijas en una localización. Son generalmente las plantas de producción de potencia y las emisiones de procesos industriales que se descargan por chimeneas. - Móviles: debidas a actividades asociadas al transporte. - Fugas: son producidas por descargas al medio ambiente desde válvulas, cierres y otros elementos que no incluyen dispositivos de descargas, como chimeneas en el caso de gases o emisarios submarinos en el caso de líquidos, y cuyo comportamiento no es el deseado. Dentro de este tipo puedes ser estacionarias o móviles. 10.2. Emisiones a la atmósfera Las emisiones a la atmósfera son un conjunto de sustancias que alteran la composición natural de la atmósfera con su presencia, pudiendo estar éstas en cualquier estado y siendo en general de carácter nocivo. Generalmente el gaseoso es el más abundante. Las emisiones gaseosas son una serie de sustancias que se vierten a la atmósfera en estado gaseoso como resultado de la reacción de combustión. Estas emisiones son perniciosas, bien sea porque son sustancias que no suelen encontrarse en la composición de la atmósfera en grandes cantidades, o porque aunque sí lo hagan y en sí mismas no sean nocivas, su masiva acumulación esté provocando efectos adversos en el medio ambiente. Por otro lado existe otro tipo de contaminante, las partículas, que si bien son sólidos o líquidos, también constituyen por su 44 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla tipo de desechos cabe destacar a los generadores de vapor de las turbinas, ya que al trabajar con agua, producen una mayor cantidad de estos residuos. Es por eso que este apartado se va a centrar en los contaminantes de dichos generadores. No se van a considerar tratamientos dentro del alcance de este apartado. El tratamiento de líquidos residuales de una planta suele darse en bien por gestores autorizados, o bien en unidades de la planta diferentes de la de generación de energía térmica. 10.3.1. Refrigeración del condensador El condensador es el equipo que se utiliza para condensar el vapor a la salida de una turbina. Cuando el condensador es refrigerado por agua, que es en la mayoría de los casos, este agua de refrigeración se evapora parcialmente en las torres de refrigeración para producir un enfriamiento evaporativo. Las sales y otros sólidos disueltos o suspendidos en el agua no se evaporan, quedando en el agua sin evaporar y aumentando su concentración con el tiempo. Es por eso que se ha de purgar dicha agua rica en estas impurezas y añadir agua con menor contenido en ellas para evitar su concentración en el sistema. El agua que se ha sangrado en la purga constituye un residuo líquido. Por otro lado, el agua que se usa para refrigerar tiene un alto contenido en cloro para evitar las inclusiones en los tubos. El cloro es una sustancia muy tóxica para los organismos vivos, que en cantidades suficientes puede ser peligrosa. Es por esto que esta agua no puede ser vertida sin ser tratada. 10.3.2. Residuos de la manipulación de cenizas Como se verá en el apartado 10.4. , las cenizas constituyen uno de los principales residuos de procesos de combustión, principalmente en la combustión de carbones y fueles. En muchos sistemas, las cenizas son removidas de los sistemas de captación con agua, las cuales quedan contaminadas por sustancias como óxidos y sales de metales, compuestos organometálicos, carbono, etc. Es por esta razón que constituyen un residuo. 10.3.3. Agua procedente de los parques de carbón El carbón se suele almacenar al aire libre sin excesiva protección. Es por eso que cuando llueve, el agua entra en contacto con el carbón, produciéndose unas reacciones de manera conjunta con el oxígeno del aire que conduce a la contaminación de esta agua con sulfatos de tipo ferroso y ácido sulfúrico. 10.3.4. Agua de desulfuración húmeda El agua procedente del proceso de desulfuración húmeda, descrito en el apartado 10.2.1. , contiene el reactivo básico disuelto en una solución acuosa, así como los sulfatos producidos en por la reacción de los SO4, por lo que constituye un residuo líquido que ha de ser tratado. 45 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla En el sistema se va inyectando la disolución básica, que a base de reaccionar con el SO4, se va acumulando sulfatos, de manera que, si no se va purgando, se acumulan en el sistema. Esta corriente de purga o sangrado es la que se ha de tratar posteriormente como un residuo. 10.3.5. Agua procedente de la limpieza de superficies de transferencia de calor Son los residuos acuosos procedentes de la limpieza de las superficies de transferencia de calor, que en un generador de vapor son las paredes de tubos. Si la limpieza no es de tipo química, el agua residual contendrá los mismos metales contaminantes de las cenizas, y la composición del residuo acuoso será la de los residuos de la zona del generador que se haya limpiado. Por otro lado esta limpieza puede ser química, con agentes químicos que ayudan a la desincrustación de los residuos sólidos que quedan en dichas superficies. En este caso no solo las cenizas y demás sólidos a eliminar contaminan el líquido, sino también las sustancias que se usan como disolventes. Por último, también se consideran dentro de este grupo el agua procedente del sangrado del calderín, que contiene una alta concentración en sales e impurezas que se desprenden del agua al evaporarse. 10.4. Residuos contaminantes sólidos Dentro de esta sección se consideran dos grupos fundamentales, las cenizas de fondo, y todas las partículas que se eliminan de la corriente gaseosa por lo métodos descritos en el apartado 10.2.4. , incluidas las cenizas volantes. Las cenizas de fondo son la fracción inorgánica de un combustible en general que se aglomeran en un tamaño que no permite su flotabilidad y por lo tanto, se quedan en el fondo del horno. De todas las cenizas es importante conocer, no solo su cantidad, sino también su composición para poder predecir los posibles problemas relacionados con la existencia de fenómenos de corrosión, erosión, deposición y escorificación. La composición de las cenizas se expresa en su contenido en óxidos, ya que permite expresar todos sus elementos, que están presentes en multitud de compuestos (sales, óxidos, ácidos, compuestos orgánicos asociados…), como un solo compuesto. Los principales son: Por otro lado tenemos las partículas separadas de la corriente gaseosa, que provienen de los separadores mecánicos o electrostáticos descritos en el apartado 10.2.4. , y que están constituidas por cenizas volantes, carbono inquemado. De manera adicional se tendrán sulfatos en forma de partículas sólidas si se tiene tratamiento de desulfuración y éste se produce en torres de limpieza en seco, generado partículas sólidas en la corriente de gas que igualmente van a los sistemas de separación de partículas. 46 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla 11. Programas Este apartado va a exponer una serie de programas desarrollados en Excel en lenguaje VBA que sirvan como una herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos, empleando combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. También incluye un programa de cálculo a través de los datos obtenidos en un análisis de Orsat de productos de la combustión. En ellos, a través de una serie de datos que hay que ir introduciendo a medida que se ejecuta el programa, y mediante unos botones dispuestos en cada hoja, se realizan cálculos relativos a la combustión. Los datos son mostrados de manera tabular y algunas gráficas. Estos programas sirven para obtener de forma automática y sencilla variables de gran interés en procesos de combustión, y pueden servir tanto como un primer cálculo en situaciones prácticas, como para el ámbito académico. De entre sus ventajas se puede destacar que con una pequeña cantidad de entradas, obtenemos bastantes datos de forma muy visual, tanto en tablas como gráficas. Además los programas son sencillos de utilizar si se siguen unas recomendaciones generales de las que se hablarán en el apartado 11.5, gracias a la ayuda de botones que ejecutan las rutinas correspondientes y a unos cuadros de texto que contienen la información necesaria para comprender el funcionamiento de los mismos. 11.1. Combustible sólido Este programa está pensado para carbón, ya que los componentes a introducir son los mayoritarios en este combustible sólido. No obstante, dado que en este caso solo se considera la combustión perfecta, si se tiene la composición elemental de otro combustible sólido, también se podrá utilizar. Realiza la mayoría de sus cálculos utilizando como base 1 kg de sustancia sólida. 11.1.1. Funcionamiento Este apartado describe el proceso a seguir en este programa de forma secuencial, los datos de salida y de entrada que se requieren. Esta información también aparece en los cuadros guía. Tras pulsar el botón inicio, hay que introducir la composición del combustible en porcentaje en peso. El programa da la opción de introducir estos datos en base seca o en base húmeda, para lo cual habrá que seleccionar previamente la opción correspondiente. Cada botón de cada hoja despliega una serie de datos. El primer botón en dar datos es Aire Teórico. Presenta una tabla con los poderes caloríficos inferior y superior, y el oxígeno y aire teóricos. El siguiente dato que hay que introducir es el exceso de aire en tanto por ciento sobre el teórico. En este caso, tendrá que ser positivo, pues no se contempla el defecto de oxígeno. Una vez introducido el exceso de aire, el botón Aire Introducido calcula el oxígeno, nitrógeno y aire seco introducidos. 47 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla Posteriormente el programa pide la temperatura del aire de combustión, que en muchos casos se corresponderá con la ambiente, y la humedad relativa ambiente. El botón Humedad calcula la humedad contenida en el aire que se va a emplear en la combustión. Esta humedad formará parte de los productos de la combustión en forma de vapor, contribuyendo con masa y entalpía de una forma nada desdeñable. A continuación se puede pulsar el botón productos sin necesidad de incluir ningún dato adicional, tal y como indica el cuadro guía. Por último, el programa demanda el gasto de combustible que se está quemando. Si no se tiene, simplemente el último cálculo no se podrá realizar por completo, pero se puede introducir un valor cualquiera para obtener el Cp del aire a la temperatura y con la humedad introducida. En caso de tenerse este valor, pulsando en el botón T. adiab. , se obtienen el aire total introducido y los productos totales, sus respectivos Cp, el de los productos a temperatura adiabática; el calor generado y la temperatura adiabática. Esta parte del programa es particularmente útil, ya que el cálculo de la temperatura adiabática es sencillo, pero es un proceso iterativo. 11.1.2. Limitaciones Este programa es el más simple de los de los tres combustibles, y no tiene en principio más limitaciones que las limitaciones generales de todo el conjunto, que se detallarán más adelante. 11.2. Combustible líquido Este programa está diseñado para hidrocarburos líquidos, por lo que los componentes considerados son el carbono y el hidrógeno. La base de cálculo es un kg de combustible. 11.2.1. Funcionamiento El funcionamiento es muy parecido al anterior, pero adaptándose a las características especiales de un combustible líquido. Una de ellas es la posibilidad de que, en algunas aplicaciones distintas de las de generación térmica, como puede ser propulsión, interese que haya cierta cantidad de hidrocarburos inquemados. Esta posible aplicación es la que motiva una serie de cálculos adicionales, como el del Cv en este caso. Esta hoja incluye asimismo, cuadros guía en la esquina superior derecha. Se inicia con el botón de inicio al igual que en el caso del combustible sólido. De la misma manera existen dos posibilidades de expresar la composición: en porcentaje en peso entre carbono e hidrógeno, o con la formulación aproximada en la forma CxHy, siendo x e y el número de átomos en una molécula de combustible. Los siguientes botones, Aire Teórico, Aire Introducido y Humedad, son prácticamente iguales que en el caso de combustible sólido. Seguidamente aparece la primera diferencia. En este caso, si el exceso de oxígeno es menor que la unidad, es decir, que OI <OT, la tabla de productos cambia. Mientras que en el caso de exceso es muy parecida a la anterior pero sin SO2, si hay defecto de oxígenos aparecen hidrocarburos inquemados. Notar que no aparece la columna de kmol y % en volumen en los 48 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla productos debido a que se desconoce el tamaño de la molécula básica del hidrocarburo, ya que solo se tiene bien la relación en peso, o bien la formulación reducida en forma CxHy. Esta fórmula no es la de la molécula básica, ya que en mucho casos es una mezcla de hidrocarburos líquidos, sino que expresa en los índices x e y la relación C-H respectivamente. Seguidamente, introduciendo el gasto de combustible se obtiene, además de lo que ya se obtenía en la hoja del combustible sólido, los Cv del aire y los productos, lo que nos permiten obtener los coeficientes de dilatación adiabática (γ) diviendo cada Cp entre su respectivo Cv. 11.2.2. Limitaciones La principal limitación es el desconocimiento de la molécula que forma el combustible. Esto sucede en realidad con los hidrocarburos líquidos, ya que son mezclas de distintos hidrocarburos líquidos. El problema viene en que el Cp es característico de la especie concreta. En este caso, la aproximación que se ha tomado ha sido el de aproximar el Cp de los hidrocarburos inquemados al de un grupo de hidrocarburos más habituales, en función de que se parezca más o menos en composición en carbono y nitrógeno, y ponderarlo por su fracción másica. Éstos son el metano, el acetileno, el etileno, el etano, propano, butano, pentano hexano y octano. El error no es demasiado grande ya que la fracción másica de H-C no suele ser muy grande en rangos habituales de defecto de oxígeno, y además el Cp no difiere demasiado entre estas sustancias. 11.3. Combustible gas Esta hoja es similar a combustible líquido, pero también aporta sus características especiales. Está diseñada para un combustible que sea una mezcla de hidrocarburos habituales, y la base un Nm3. 11.3.1. Funcionamiento Al igual que en el caso del combustible líquido, esta hoja también aporta la posibilidad de calcular el coeficiente γ. Como en todas las demás hojas, se inicia con el botón de inicio y en este caso solo existe una posibilidad de expresar la composición del gas, y es como una mezcla de hidrocarburos gaseosos conocidos, entre los que están metano, acetileno, etileno, etano, propano y butano. Además se tiene la posibilidad de expresar otro componente por su formulación química, en la forma CxHy. En este caso, si se ha de introducir expresando la fórmula de la molécula de gas, ya que se trata de una única especie química. Una vez introducida la composición los tres primeros pasos son análogos en todos los programas, pidiendo el exceso, la temperatura del aire y la humedad relativa, y dando el oxígeno teórico, el PCI y PCS, el oxígeno introducido, y la humedad del aire. 49 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla En esta hoja, al igual que en el caso de los líquidos, se contempla la posibilidad de que haya menos oxígeno introducido del teórico y se tengan inquemados. Los inquemados se han considerado proporcionales a la composición inicial. Con todos estos datos se calculan las tablas de productos con los datos expresados en kmol/Nm3 de combustible, %vol, kg/Nm3, y porcentaje en peso, que es el que se representa. Por último, introduciendo el gasto de combustible en kg/s, se calcula la temperatura adiabática que se alcanzan, el aire total, los productos totales y los calores específicos y coeficientes γ de cada uno de ellos. 11.3.2. Limitaciones Al dar la posibilidad de escoger una sustancia en función de su fórmula química reducida, CxHy, no se pueden tener datos específicos de ella. Es más, una misma formulación expresada de la forma CxHy puede corresponderse a cadenas de hidrocarburos diferentes, los llamados isómeros. Por tanto, tanto el Cp como el poder calorífico han de ser aproximados. Para el caso del Cp, se le asigna la fracción volumétrica de combustible a otro combustible conocido. En el caso del poder calorífico, se aproxima por el poder calorífico se los elementos en las cantidades en las que se tienen. A parte de esto, la hoja tiene las mismas limitaciones que el resto, y que van a ser desarrolladas en el apartado 11.5. 11.4. Análisis de Orsat La última parte del programa es una hoja de cálculo de condiciones de combustión a través de los datos obtenidos en un análisis de Orsat. El análisis de Orsat es un método muy empelado para analizar las fracciones volumétricas en distintas especies de productos de la combustión, aunque en los últimos tiempos, ha sido sustituido por dispositivos electrónicos. No obstante, a menudo se emplean para calibrar dichos dispositivos. Para realizar el análisis se emplea una bureta calibrada conectada mediante una serie de tubos con válvulas a un conjunto de pipetas de absorción. Cada una de estas pipetas contiene una disolución acuosa que es capaz de absorber un determinado componente del gas. La primera de ellas contiene hidróxido de potasio (KOH), que es capaz de retener el CO2. Después de su paso por esta pipeta, se observa la reducción del volumen del gas, igual al volumen de CO2 retenido. Posteriormente se hace pasar el gas, ya sin CO2, por una solución alcalina de pirogalol en hidróxido de potasio, que retiene el O2. Por último, se hace lo mismo por una pipeta con cloruro cuproso en ácido clorhídrico concentrado, lo que retiene el CO. El resto del volumen del gas se considera que es nitrógeno. Por tanto, observando los volúmenes retenidos en cada pipeta, y el final, se puede calcular las fracciones volumétricas de cada gas. Los gases han de ser enfriados hasta temperatura ambiente, por lo que el vapor de agua condensa y solo queda la humedad del aire a presiones y temperaturas atmosféricas. 50 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla 11.4.1. Funcionamiento La hoja de Orsat es la más sencilla de todas. Dado que no es un dato del análisis, existen dos posibilidades de calcular el agua que se tiene a la salida de la chimenea, necesaria para conocer el oxígeno teórico. Se puede introducir la fórmula del combustible hidrocarburo expresando la relación entre átomos de carbono o hidrógeno, o directamente la humedad que tenía el combustible a la salida. Una vez introducidos los datos, se le da al botón calcular y el programa calcula, el oxígeno que ha reaccionado, el teórico, el exceso con el que se está trabajando en tanto por ciento, la masa total de aire introducida y la relación en masa del aire y el combustible. Todo ello se realiza en base a 1 Nm3 de gases a la salida de la chimenea. Este volumen es mayor que el de gases analizados, ya que sí contempla la humedad. Para hacer más simples los números, se ha considerado un Nm3 pese a que el volumen típico empleado en un análisis de Orsat es de 100 mL. No obstante, al ser fracciones volumétricas, se puede emplear a la base de cálculo que se desee. 11.5. Limitaciones generales Existen varias limitaciones debidas a diferentes aspectos. Un mayor grado de precisión del obtenido está fuera del objetivo de este proyecto, si bien puede quedar para futuros desarrollos posteriores el uso de otros medios que, basándose en este programa, permita crear otra versión que mejore dichas limitaciones. 11.5.1 Teoricidad de los cálculos La principal limitación del programa de cara a su posible aplicación es que es de carácter teórico, por lo que hay situaciones que se dan en la práctica que el programa no contempla. En primer lugar, si en el exceso de oxígeno se introduce un número mayor positivo, la combustión será perfecta, no obteniéndose ni inquemados gaseosos, como CO o hidrocarburos sin quemar, ni sólidos como el hollín. Tampoco contempla las cenizas en la salida de productos ni NOx. Por otro lado, en el programa no se considera ni condiciones en las que la combustión no se produjese por rebasar los límites de inflamabilidad, ni las especies intermedias que se pudieran formar en dicha combustión. Esto afecta principalmente al caso de los inquemados, que se han considerado como combustible en el estado original, pero a mayor temperatura. En el caso del combustible líquido se considera que los inquemados es el propio combustible con la misma composición, pero en el caso de los gases, cabría otra posibilidad. Al ser los gases una mezcla de hidrocarburos, ante la falta de oxígeno se podría dar una combustión “selectiva”, es decir, que se quemen más de unas especies que de otras. En el caso del programa se ha adoptado la teoría de las colisiones, y es que, la reactividad de un gas depende de su concentración ya que las colisiones entre partículas que reaccionan entre sí serán tanto más frecuentes cuanta mayor cantidad haya de un determinado gas en un volumen. Es decir, que a mayor concentración de un gas, más reaccionará éste con el oxígeno. De esta manera, al reaccionar parte del gas, su concentración se reduce, dando paso a que reaccionen otros y así sucesivamente hasta que queda una composición volumétrica final de inquemados igual a la composición que se tenía inicialmente. 51 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla Por último, cabe mencionar que, al añadir el exceso con el que se quiere trabajar, se está añadiendo el exceso de gases secos, dado que la humedad es variable. Por lo tanto, cuando se añada el aire ya con la humedad, el exceso será mayor del dato introducido, ya que la masa de aire húmedo introducido ha aumentado respecto al aire seco. Esto tiene una importancia relativamente baja, dado que la humedad representa una fracción másica bastante pequeña en relación al resto del aire. 11.5.2. Cálculo de propiedades Existen también ciertas limitaciones en las propiedades de las sustancias. En primer lugar la precisión de los datos que se tienen, que es las tablas y programas que se han utilizado para obtenerlos, en su mayoría del EES (Engineering Equation Solver) en lo que se refiere a los calores específicos y la humedad en el aire. Por otro lado el grado de precisión en de los Cp y Cv empleados es de 5ºC, que es el mismo que se le exige por tanto a la temperatura adiabática, ya que no se puede afinar más con los Cp. En segundo lugar el rango de operación de las propiedades, en las que se ha considerado desde 0 a 4000 ºC en el caso de los calores específicos, y desde 0 hasta 60 ºC y cualquier rango de humedad relativa para el cálculo de la humedad del aire. En este punto es importante destacar un potencial de mejora futuro del programa, y es la variación del Cp y Cv con la presión, que no ha sido tenido en cuenta, considerando presión constante de 100 kPa. Si bien la variación de los calores específicos es muy dependiente de la temperatura y mucho menos de la presión, en determinadas aplicaciones, como motores térmicos, donde se emplean presiones elevadas, sería interesante incluir dicha variación con la presión. Los Cp y Cv de sustancias desconocidas se han aproximado al de sustancias con composiciones similares en carbono e hidrógeno. De manera adicional, los poderes caloríficos se han calculado en función de la composición elemental cuando la sustancia no es claramente conocida, como por ejemplo en combustibles líquidos, o en gases cuya formulación es introducida al programa. De esta manera se está despreciando en los cálculos de los poderes caloríficos las entalpías de formación de dichas sustancias, que se debe a los enlaces entre átomos. Si bien es cierto que no son despreciables, esta aproximación es menos errónea en líquidos que en gases, ya que la energía de este estado de agregación es menor que en el caso de los gases. Por otro lado, en la parte de gases la fracción del gas no presente entre los habituales la elige el propio usuario, por lo que en cierto modo la precisión de los cálculos puede variar y ser mejor si se opta por gases conocidos. En este caso, dado el carácter teórico general del programa, se ha optado por dotar al programa de flexibilidad en los datos de entrada antes que por un alto grado de precisión. Un posible margen de mejora en un desarrollo futuro puede ser la inclusión de un catálogo de combustibles más amplio y sus propiedades. Por último, el comburente se ha considerado aire atmosférico en todo momento, ya que su uso es el más generalizado. De la misma manera, no se ha calculado el Cp del aire con las propiedades psicrométricas, sino por medio de las fracciones másicas obtenidas en oxígeno, nitrógeno y vapor de agua. 52 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla 11.6. Consejos generales de uso Para garantizar el correcto de funcionamiento del programa es preciso seguir las siguientes instrucciones. - No borrar parcialmente o en su totalidad el contenido de ninguna hoja de las que conforman el libro. Para reiniciar la ejecución de los cálculos se puede emplear el botón borrar que aparece en cada hoja. - Leer la información de los cuadros que aparecen en cada hoja, y seguir sus instrucciones. - Añadir los datos en las celdas sombreadas de amarillo. Una vez que estas celdas pasen a blanco, no modificar su valor. Solo se puede escribir de nuevo los datos si para volver a ejecutar una parte del programa, se vuelve a hacer click en el botón que dio comienzo a la ejecución de dicha parte del programa. En cualquier caso, es más seguro que se borre todo el contenido por medio del botón borrar y se vuelvan a introducir los datos. - Hacer click en los botones por orden. No es aconsejable ejecutar las macros por otra vía que no sea haciendo click en los botones, ya que su ejecución en un orden distinto del establecido puede llevar a una mal funcionamiento del programa. 11.7. Posibles desarrollos futuros Como se ha comentado en el apartado 11.5. , hay potencial de mejora en determinados aspectos que se deja para posibles desarrollos futuros. Los más destacables son: - Utilización de un modelo más práctico o experimental de la combustión para el cálculo de los productos que contemple situaciones de combustión imperfecta, así como la formación especies intermedias que puedan producirse. - Variación de los Cp y Cv con la presión y con rangos de temperaturas negativos. - Inclusión de la opción de emplear comburentes distintos del aire atmosférico. - Inclusión de un catálogo de combustibles más amplio, junto con sus propiedades. - Empleo del diagrama psicrométrico para el cálculo del Cp del aire atmosférico. 53 T.F.G. Herramienta para el cálculo de la combustión en generadores térmicos Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla Bibliografía Dr. Ing E. Brizuela, Dr. Ing. S. D. Romano. Combustión. Departamento de Ingeniería Mecánica y Naval, Facultad de Ingeniería, UBA 2003. CIA (Central Intelligence Agence, United States). World Factbook Apuntes Generación de Energía Térmica, Lección2: Conceptos Básicos sobre la Combustión. Curso 2013-2014. Grupo de TermotecniaDpto. Ingeniería energética. Universidad de Sevilla. Apuntes Generación de Energía Térmica, Lección 3: Combustión y Balance de Masa. Curso 2013-2014. Grupo de TermotecniaDpto. Ingeniería energética. Universidad de Sevilla. www.IEA.org: International Energy Agency (Agencia Internacional de la Energía) El carbón como Recurso. Instituto mundial del carbón. 2009 Carbón. Profesor Dr. Vicente J. Cortés. Departamento de Ingeniería Química. Universidad de Sevilla. Apuntes Tecnología de la combustión. Dpto. 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