TTERMODINAMICA I -CAMARA DE COMBUSTION HILTON

1. INTRODUCCIÓN

Para quemadores de líquido, hay la posibilidad de que los contenedores de carbono en las superficies de transferencia de calor de la caldera, lo que reducirá la eficiencia del aparato y causar contaminación adicional en la salida del escape. Para establecer el potencial del contenedor, una escala del número de humo se utiliza, con 10 graduaciones, el menor es el número más bajo del contenedor.

Un probador de humo estándar tiene un cilindro de tamaño fijo con un pistón de mano. Al final de la entrada una manguera se coloca en el escape (como para un análisis de las muestras de gas) y un pedazo de papel filtro especial se coloca en su camino. 10 apretones de la manija de la bomba hacen que una cantidad fija de gas pasen a través del papel y las partículas del contenedor quedarán atrapadas.

El papel se quita y se compara con la escala estándar del número del humo y después se señala un número del humo. Observe eso para ver números más altos del humo en el C492, el quemador deberá fijarse en un alto rendimiento de procesamiento del combustible, y el ajuste del regulador del control de aire se coloca relativamente bajo.

2. OBJETIVOS

• Hacer un análisis del comportamiento de la combustión.

• Establecer un balance térmico del proceso de combustión.

3. FUNDAMENTO TEÓRICO

En toda combustión, el cuerpo que arde se denomina combustible y el que produce la combustión, comburente. Una combustión es la reacción del oxígeno con diversas sustancias, en general el carbono y el hidrógeno. En la mayoría de los casos el portador del oxígeno es el aire; el nitrógeno y los demás componentes del aire no reaccionan con el combustible, por lo que en muchos cálculos no habrá que tenerlos en cuenta. Los productos reaccionantes son, el combustible, el aire, los productos de la combustión gaseosos denominados humos o gases de escape y las cenizas que pueden originarse formadas por componentes no combustibles o no quemados del combustible.

En el proceso de combustión, las sustancias que intervienen reaccionan químicamente y tienen que cumplir:

A) El Principio de Conservación de la Materia, de forma que conocidas las cantidades de combustible y de aire necesario para la combustión, sea posible hallar la cantidad resultante de productos de combustión.

B) El Primer Principio de la Termodinámica, por cuanto las reacciones químicas, y en particular las combustiones, son transformaciones energéticas.

C) El Segundo Principio de la Termodinámica, que permite obtener el rendimiento termodinámico de la transformación de energía que tiene lugar durante la reacción química, y conocer en qué dirección y en qué proporción se desarrollará, (equilibrio químico).

Reacciones químicas de combustión

Los elementos combustibles de la mayoría de las sustancias combustibles son, el carbono, el hidrógeno y una pequeña cantidad de azufre. Los cálculos se realizan mediante algunas reacciones químicas de estas sustancias con el oxígeno, teniendo en cuenta que:

a) El combustible es un único compuesto químico, (sustancia pura), o bien una mezcla de sustancias puras, (mezcla de gases combustibles).

b) El combustible, si es un líquido o un sólido, (fuel, carbón, etc.), es una mezcla de diversos compuestos cuya composición química se puede determinar.

En cualquier caso, los elementos combustibles son sólo el C, H2 y S y las reacciones de combustión se pueden reducir, cuando se trata de combustibles sólidos o líquidos, a las tres siguientes:

C + O2 = CO2 (12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2)

2H + O2 = 2H2O (2 kg H2 + 16 kg O2 = 18 kg H2O)

S + O2 = SO2 (32 kg S + 32 kg O2 = 64 kg SO2)

Los gases que se desprenden del combustible sólido son hidrocarburos ligeros CH4, pesados C2H4, C2H2, C6H6 y en algunos casos el CO y el SO2, de forma que:

2 CO + O2  2 CO2

CH4 + 2 O2  CO2 + H2O

C2H4 + 3 O2  2 CO2 + 2 H2O

2 C2H2 + 5 O2  4 CO2 + 2 H2O

2 C6H6 + 15 O2  12 CO2 + 6 H2O

Si la combustión es incompleta algunos gases combustibles escapan sin arder, encontrándose en los humos gases como el CO y algunos hidrocarburos. En general, el oxígeno debe ser abundante para que la combustión sea lo más completa posible, por lo que es necesario exista aire en exceso.

Un elevado exceso de aire es desfavorable porque disminuye la temperatura de combustión, arrastrando, además, un elevado número de calorías que se pierden por los humos, al tiempo que se provoca la aparición de los NOx.

Calor de reacción y potencia calorífica

La potencia calorífica se puede expresar como la cantidad de calor desprendida en la combustión completa de la unidad de combustible, 1 mol o 1 kg si es sólido o líquido, y 1 m3 a 0º y 760 mm de Hg si es un combustible gaseoso. En la combustión completa se generan:

C + O2  CO2 + 97.6 Kcal/mol

2 H2 + O2  2 H2O + 137.92 Kcal/mol

S + O2  SO2 + 80 Kcal/mol

La potencia calorífica de un combustible se determina en un calorímetro; en su determinación se puede observar que en las paredes del calorímetro se deposita agua que proviene de la condensación del vapor de agua producido en la combustión, que al condesar cede aproximadamente 600 Kcal/kg; éste calor sumado al generado en la combustión recibe el nombre de potencia calorífica superior, que es el resultado proporcionado por el calorímetro.

Si ese mismo combustible se quema en un hogar industrial, el vapor de agua existente en los humos no condensa debido a que la temperatura de éstos es siempre superior a 100ºC; en estas circunstancias los combustibles no proporcionan las calorías que corresponden al valor obtenido en el calorímetro, sino un valor inferior que recibe el nombre de potencia calorífica inferior, que no se aprovecha íntegramente, por cuanto los humos calientes se llevan parte del calor generado; si de la potencia calorífica inferior se descuenta el calor sensible que llevan los humos, la cantidad de calor que realmente se puede utilizar recibe el nombre de potencia calorífica útil.

4. PROCEDIMIENTO

4.1 Revisiones antes de operar

1. Drenar el condensado de la cámara, sacando el tapón ubicado en la parte inferior.

2. Asegurar que haya suficiente combustible (gas y/o líquido) para el experimento programado.

3. Ajustar los tornillos reguladores de nivel, de tal forma que los medidores de flujo de aire y de la presión de gas en la tubería marquen cero.

4. Chequear que la presión de salida de gas sea aproximadamente 120mm de H2O. De no tener esta presión se procede a regularla mediante la válvula reductora de presión (válvula tipo diafragma).

5. Verificar el suministro de agua a la cámara y al tomador de muestras. Se recomienda un flujo inicial de agua de 1000 Kg/Hr.

6. Con la válvula de control de aire cerrada (posición No. 1 en la escala) arrancar el ventilador hasta que alcance su velocidad de régimen. Abrir lentamente la válvula de control de aire y dejarla totalmente abierta (Posición No.8) durante un lapso de 2 minutos de tal forma de desalojar posibles gases residuales de experiencias anteriores.

7. Chequear que la bujía de encendido esté en la posición correcta y se produzca la chispa.

4.2 Procedimiento de encendido (encendido con gas propano)

1. Verificar todos los pasos correspondientes a la sección “antes de operar”.

2. Regular el flujo de agua a 1000 Kg/Hr.

3. Abrir el agua de refrigeración para el tubo mostrador.

4. Regular el flujo de aire a 125-130 Kg/Hr.

5. Se oprime el botón de ignición y a la vez se abre la válvula de control de gas (situada en el panel) en forma lenta hasta conseguir el encendido.

La válvula de control se ha de abrir hasta que se obtenga un combustible estable, esto se consigue con un flujo aproximado de 9Kg/Hr de gas, para el flujo de aire del paso 4. Se recomienda de 1 a 2 Kg/Hr más de flujo de gas, del mencionado anteriormente, tan solamente para encenderlo y una vez estabilizada la combustión mantener el flujo a 9 Kg/Hr.

6. Se procede luego a retirar la bujía y colocar el tapón en la lumbrera de ignición.

4.3 Procedimiento con combustible líquido (kerosene)

1. Se realizan todos los pasos de la sección “encendido por gas” con lo que tendremos una combustión estable con gas.

2. Se abre la válvula general de combustible (kerosene)

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