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• Gustavo Martínez

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UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERÍA INGENIERÍA MECÁNICA – ELECTROMECÁNICA TALLER DE FUNDICION

Junio 2018 MEC 2239 “A” Grupo LB-1

QUEMADORES

1. DEFINICIÓN En general, se conoce como quemador a todo dispositivo que facilita la mezcla de un combustible y un comburente y en el que se produce la combustión. En algunos aparatos, generalmente de poca potencia, que utilizan combustible gaseoso, el quemador puede reducirse a un tubo o un disco, con perforaciones por las que fluye el gas introducido a través de un inyector y que produce por efecto Venturi la inducción del aire comburente. La combustión se inicia mediante una chispa, o incluso manualmente acercando una llama. A medida que aumenta la potencia de combustión, la función del quemador se va haciendo más compleja hasta convertirse, en los quemadores industriales, en una máquina que pone en contacto el combustible con el comburente en la proporción, forma y condiciones que permitan la combustión continua, estable y controlada, con un rendimiento máximo.

Fig. 1.1. Quemador industrial También se puede definir a los quemadores son los dispositivos que permiten realizar la reacción de combustión entre el combustible y el comburente de manera controlada, asegurando la aportación adecuada de ambos para conseguir la potencia calorífica especificada, distribuyendo la zona de reacción de llamas y la circulación de los productos de combustibles de modo que se transfiera a la carga, del modo más eficiente posible, todo el calor producido. Según sea el combustible utilizado, los quemadores se clasifican en quemadores de gas, de combustibles líquidos y de combustibles sólidos. En el caso de estos últimos, si la aportación del sólido se realiza neumáticamente (carbón pulverizado, por ejemplo) existe una cierta homogeneidad con respecto al equipo utilizado para los otros combustibles; pero en otros, casos como en el empleo de parrillas, por ejemplo, existe una diferenciación evidente. El carácter específico del equipo en función de la clase de combustible utilizado obliga a realizar su estudio separadamente, lo cual, por otra parte, exigirá repetir ciertos conceptos de común aplicación, así como suplir, por analogía, razonamientos generalmente válidos.

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2. TIPOS DE QUEMADORES 2.1. SEGÚN EL COMBUSTIBLE UTILIZADO QUEMADORES PARA COMBUSTIBLES LÍQUIDO Existen dos clases fundamentales de quemadores de combustibles líquidos: 1) Quemadores de gasificación o vaporización, en los que la llama, por radiación sobre la superficie del combustible líquido, produce la vaporización de éste, el cual se incorpora a la llama y mantiene la combustión. Este sistema tiene una doble limitación de uso: por un lado, se aplica a quemadores pequeños; por el otro, sólo es aplicable con combustibles ligeros. 2) Quemadores de pulverización, que son los generalmente utilizados. El combustible, para ser pulverizado, debe tener baja viscosidad, del orden. De los 10 centistokes, o 2 grados Engler, que sólo presentan a baja temperatura los gasóleos, y que requiere calentar a 110ºC el fuel-oil pesado.

Fig. 2.1. Quemador de combustible liquido Existen métodos para pulverizar el aceite: a) Por rotación (figura 2.2). El aceite llega por un tubo central a una copa giratoria que, al girar a gran velocidad, rompe el líquido en gotas que el aire arrastra. Se regular variando el caudal de aceite.

Fig. 2.2. Pulverización de combustible liquido

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b) Por presión de aceite. El aceite, a una presión de 10 a 100 bar, sale por una tobera a la cámara de combustión, pulverizándose por la expansión. Se regulan modificando la sección de la tobera o por recirculación del aceite.

QUEMADORES PARA COMBUSTIBLES SÓLIDO Aunque el carbón contiene materias volátiles que en mezcla con el aire dan lugar a llamas, la mayor parte de su materia combustible es sólida y tiene que llegar el oxígeno para que tenga lugar la reacción de combustión. Esta etapa de difusión es la más lenta, por lo que debe activarse aumentando el contacto sólido-aire, lo que implica reducir el tamaño del carbón. Los sistemas utilizados para realizar el contacto aire-carbón son: • Quemadores de carbón pulverizado. • Cámaras de combustión tipo ciclón. • Parrillas. • Cámaras de combustión de lecho fluido.

1) Quemadores de carbón pulverizado El carbón debe secarse, pulverizarse a tamaños que dependen de la clase de carbón (así, la hulla se pulveriza de modo que el 80 % sea inferior a 0,1 mm el lignito, el 60% es inferior a 0,1 mm), y se transporta neumáticamente al quemador, de modo que el aporte de aire suele representar del 20 al 40% del aire de combustión, según sea el contenido de humedad y cenizas. El quemador es similar al usado para combustibles líquidos; pero debido a que el tiempo de combustión es más largo, se dan velocidades de salida más bajas, que llegan incluso a los 5/ 10m/s. Se pueden construir con potencias de hasta 46 MW. Debe tenerse especial cuidado con las temperaturas: en la entrada, para asegurar la estabilidad, no se puede bajar de los 55 ºC, y no se pueden so brepasar la temperatura de coquización, que es de 70 ºC si el contenido en volátiles es mayor que el 25 %, por ejemplo. Pero también en la cámara de combustión pueden aparecer problemas en la formación de las cenizas (óxidos de silicio, aluminio, calcio, etc.).

2) Cámaras de combustión tipo ciclón La combustión tiene lugar a elevadas temperaturas en una cámara recubierta de escoria fundida, que así hace de aislante, evita pérdidas de calor y asegura temperaturas elevadas.

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Fig. 2.3. Quemador de Combustible solido El carbón pulverizado entra con el aire primario tangencialmente y, de modo independiente, también se alimenta el aire secundario. Las partículas mayores de carbón tienden hacia la pared, donde son captadas, mientras que las finas, arrastradas por el aire, son quemadas completamente. QUEMADORES PARA COMBUSTIBLES GASEOSOS En general, los combustibles gaseosos se queman y regulan con mayor facilidad, ya que la combustión se realiza en una sola fase y no existen problemas de pulverización como en los combustibles sólidos y líquidos. Los gases son generalmente limpios y por consiguiente no forman atascos ni ensucian las cámaras de combustión. Las reacciones de combustión del gas y del oxígeno van estrechamente unidas a los métodos de adición y de mezcla de aire con el gas. Según el método de introducción del gas y del aire en la cámara de combustión, se clasifican como sigue: •

Quemadores con llamas de difusión, en los que el gas y el aire penetran sin mezclar en la cámara, y la mezcla se efectúa por difusión turbulenta en el lugar de la combustión.

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Quemadores con premezclado parcial, en los que se mezcla previamente el gas con una parte de aire, y el resto necesario para la combustión se aspira más adelante, ya en el horno. Quemadores con llamas y premezclado total, en los que el gas y todo el aire necesario para la combustión se mezclan antes de que tenga lugar la combustión.

Quemadores de premezclado parcial Cuando la mezcla aire-gas se produce inmediatamente antes de la boca refractaria, el quemador se denomina “de premezclado por tobera” (nozzle-premix). En la figura se ha esquematizado un quemador de este tipo que, como puede apreciarse supone un intermedio entre los quemadores de premezclado total y los de premezclado parcial. El trayecto 1-2 del cono de mezcla puede variar según el grado de premezclado que se desee, además, la mezcla se hará más rápidamente si la velocidad del gas es mayor que la del aire. Con iguales conductos de aire, cambiando las toberas del gas y variando de sitio al cono, se pueden conseguir diferentes tipos de llama.

Fig. 2.4. Quemador de premezclado parcia Quemadores de premezclado total Los quemadores con premezclado en la tobera no resultan adecuados para reproducir mezclas controladas en un amplio campo de regulación, ya que tienden a formar una atmósfera poco uniforme, debido al poco espacio de que disponen para la mezcla. Los quemadores con premezclado representan la categoría más difundida de quemadores industriales de gas, generalmente son capaces de producir todo tipo de mezclas mediante la simple regulación del aire y el gas. Con el premezclado total se consigue la liberación de calor más uniforme, o, lo que es lo mismo, el menor volumen de combustión para una determinada capacidad. El premezclado total del gas y del aire se puede conseguir con diferentes métodos: los dos fluidos pueden llegar al quemador a través de dos conductos diferentes y mezclarse poco antes del punto de salida, o bien mezclarse en un compresor. Incluso uno de los componentes se puede utilizar para aspirar al otro.

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2.2.

SEGÚN LA ALIMENTACIÓN DE AIRE

Se distinguen dos tipos de quemadores: los atmosféricos y los presurizados. QUEMADORES ATMOSFÉRICOS Los quemadores atmosféricos son aquellos en los que el aire se toma del ambiente que los rodea. Se les llama así por contraposición a los quemadores de impulsión o con aire presurizado, en los cuales el aire, y en algunos casos también el gas, es aportado mediante un sistema ventilación forzada. a) Quemadores de llama blanca

Quemadores de llama blanca son aquellos en los que no se realiza la mezcla previa de gas y el aire. Al principio todos los quemadores de gas eran de llama blanca. Consistían en un simple tubo metálico, dotado de orificios por donde salía el gas a la atmósfera. La llama tomaba el aire necesario para la combustión del ambiente que la rodeaba.

Fig. 2.5. Quemador de llama blanca Los quemadores de llama blanca se caracterizan por no tener una entrada de aire primario, los orificios del quemador son muy finos, y están calibrados a la presión de suministro, con el fin de obtener la potencia prevista y las llamas estables. Normalmente los orificios son ranuras a fin de obtener llamas planas, en forma de mariposa, con lo que se aumenta la superficie de la llama de forma que se capte el máximo de aire secundario. En la actualidad no se utiliza este tipo de quemadores. b) Quemadores de llama azul

Para la correcta combustión de los gases de alto poder calorífico se precisa disponer de una gran cantidad de aire que los quemadores de llama blanca no podrían suministrar aunque se aumentara el número de orificios de salida del gas. Si en los generadores de llamas blancas se emplearan gases de alto poder calorífico se producirían llamas blancas demasiado largas que se desprenderían con facilidad además se correría el riesgo de producir una mala combustión (combustión incompleta). Estos problemas obligaron a desarrollar unos quemadores, como el mechero Bunsen, en los cuales el aire que se precisa para realizar una combustión completa se aporta en dos etapas: en la primera una parte del aire se mezcla con el gas antes de la combustión (aire primario) y en la segunda, el resto del aire se aporta a la altura de la llama (aire secundario). Las llamas de estos quemadores cuando están bien reguladas son estables y de color azul y la combustión es completa. A estos quemadores se les denomina quemadores de llama azul.

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Fig. 2.6. Quemador de llama azul Como se puede observar en la figura anterior, el quemador de llama azul está compuesto por varias piezas, las cuales vamos a describir brevemente a continuación. -

Inyector: El inyector es la pieza mediante la cual se fija la potencia del quemador. Tiene un orificio que determina el caudal de gas según la presión de alimentación. Cualquier modificación del diámetro del orificio provoca la variación de la potencia del quemador. Si un inyector funciona correctamente, no debe modificarse su calibre ya que podría dar origen a una combustión defectuosa.

Fig. 2.7. Inyector -

Cámara de mezcla: La cámara de mezcla es el espacio donde se realiza la mezcla del aire primario y el gas. El aire primario entra en la cámara por la misma tobera que el gas o a través de unos agujeros practicados en las paredes del tubo, los cuales se llaman lumbreras. Las lumbreras pueden tener unos mecanismos que permiten regular la entrada de aire primario.

Fig. 2.8. Cámara de mezcla

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El aire primario entra en la cámara de mezcla gracias al efecto Venturi. Efecto Venturi Un fluido que circule por un conducto horizontal de sección constante tiene la misma presión en todos sus puntos, ya que al ser horizontal la conducción, no hay diferencias de presión debidas a la altura. Cuando en una conducción horizontal hay una variación de sección, como el caudal es el mismo en toda su longitud debe cumplir que: Caudal = S1· V1 = S2· V2 Si la sección S es menor en un punto determinado de la conducción, la velocidad V aumenta en este punto en la misma proporción, porque el caudal debe mantenerse constante. En este caso se produce un efecto muy curioso, contrario a lo que pudiera esperarse por intuición. La presión que el fluido ejerce sobre el tubo en su parte angosta es inferior a la presión que ejerce el mismo fluido en la parte ancha del tubo. Es decir, la presión disminuye allí donde la velocidad aumenta en una conducción en la que no varíe su nivel.

Fig. 2.9. Efecto Venturi a la presión Este efecto puede comprobarse mediante la construcción que se representa en la figura, en la que se observa que el manómetro que mide la presión en la parte estrecha indica menor presión que la que mide el manómetro instalado en la parte ancha. Veamos cual es la aplicación que tiene el efecto Venturi en los quemadores. El agujero del inyector es muy pequeño, y el gas cuando sale por éste lo hace a una velocidad muy elevada, lo que produce una depresión que absorbe aire que entra por las lumbreras mezclándose con el gas dentro del tubo.

Fig. 2.10. Efecto Venturi en la mezcla de Gas y Aire

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Cabeza del quemador: En la cabeza del quemador se encuentran los orificios de salida de la mezcla gas-aire. Las cabezas de los quemadores pueden tener múltiples formas, las cuales dependen de la aplicación a la que se encuentren destinados. El diseño de la cabeza se realiza de forma que mantenga la estabilidad de la llama y no se produzcan fenómenos de desprendimiento o retroceso.

c) Quemadores infrarrojos El funcionamiento de un quemador infrarrojo es similar al de un quemador atmosférico de llama azul cuya cabeza está constituida por una placa cerámica perforada. La llama se forma en las proximidades del extremo exterior de los pequeños canales que tiene la placa cerámica. Al calentarse la placa se pone al rojo y genera calor en forma de radiación infrarroja. Estos quemadores, además de su conocida utilización en las estufas domésticas, tienen otras aplicaciones en la industria. Una de las más usuales son los túneles de secado de pintura.

Fig. 2.11. Quemadores infrarrojos d) Quemadores catalíticos Los quemadores catalíticos difieren de los anteriores en que la combustión tiene lugar en el seno de una lana ignífuga (que no se quema), la cual se encuentra impregnada con un elemento catalizador, generalmente platino. El catalizador tiene la misión de favorecer la reacción química entre el combustible y el oxígeno del aire. En estos quemadores el proceso de combustión se da a una temperatura sensiblemente más baja que en un quemador normal, sin llama visible, pero con desprendimiento de calor. Para iniciarse la reacción química es necesario alcanzar una temperatura de 150 °C.

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Fig. 2.12. Quemadores catalíticos QUEMADORES AUTOMÁTICOS CON AIRE PRESURIZADO Estos quemadores se caracterizan por disponer de un sistema de alimentación forzada de aire y unos dispositivos de regulación, control y seguridad que los ponen en marcha o paran automáticamente en función de los valores de determinados parámetros (p.e. la temperatura del agua de una caldera). Se utilizan en aparatos que requieran una potencia elevada con hogares presurizados. Tipos Los quemadores con aire presurizado corresponden, en general, al tipo denominado “monobloc” sin mezcla previa. Forman un conjunto compacto, muy utilizados en calderas de calefacción central, calderas para la producción de agua caliente sanitaria o calentamiento de otros fluidos térmicos. También se emplean en aplicaciones industriales tales como hornos, secaderos o generadores de aire caliente. Están indicados especialmente para cámaras de combustión a baja o media temperatura (a título indicativo, inferior a 600 ºC) o para cámaras de combustión presurizadas (por ejemplo: Calderas pirotubulares).

Fig. 2.13. Quemadores de alimentación forzada

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Descripción Los quemadores automáticos con aire presurizado están constituidos generalmente por los siguientes componentes: -

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Las conducciones de aire y de gas y una cabeza de combustión provista de dispositivos favoreciendo la mezcla de los flujos de aire y gas, alimentados separadamente. Un ventilador de tipo centrífugo que proporciona el aire necesario para la combustión. Un sistema de ignición compuesto por un transformador de alta tensión y uno o dos electrodos de encendido. Algunos quemadores disponen de un piloto de encendido. Un sistema de detección de llama de respuesta prácticamente instantánea. Un sistema automático de maniobra que controla los dispositivos de encendido y seguridad y regula los caudales de aire y de gas, en función de la demanda térmica, manteniendo su proporcionalidad, ya sea de forma modulante (a pequeños intervalos), por etapas de potencia (en general dos o tres) o todo – nada. Unos presostatos de seguridad que bloquean el funcionamiento del quemador en caso de falta de presión de aire o exceso o defecto de presión de gas. Unas válvulas automáticas de seguridad, normalmente electromagnéticas, de cierre de paso de gas.

La secuencia de las operaciones automáticas de puesta en marcha es la siguiente: -

Autocontrol del estado de los circuitos del sistema de maniobra y del detector de llama (esta operación es opcional). Puesta en marcha del ventilador del quemador para efectuar una ventilación previa de la cámara de combustión con aire (llamado “barrido”). Esta operación tiene por objeto eliminar cualquier traza de mezcla de aire y gas que se hubiera podido formar y acumular durante el tiempo de parada. Se estima que este barrido es suficiente cuando se ha renovado cuatro veces el volumen de la cámara de combustión y conductos hasta la base

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de conexión con la chimenea. Con el caudal nominal de los ventiladores de aire de combustión en cámaras de dimensiones corrientes con respecto a su potencia, la puesta en marcha se realiza en un tiempo que oscila entre 30 s y 1 min. Este tiempo viene determinado por la norma establecida por el constructor. Para instalaciones de apara tos especiales este tiempo puede ser superior. Activación del sistema de encendido (chispa eléctrica). Apertura del circuito de gas, ya sea el quemador piloto o directamente el quemador principal a plena potencia o a caudal reducido, si fuera necesario. Activación del sistema de detección de llama. Desactivación del sistema de encendido. A partir de este momento, el sistema de regulación realiza automáticamente las sucesivas operaciones de encendido y apagado, repitiéndose toda la secuencia.

Si al arrancar el quemador no se produce el encendido de la llama dentro del margen de tiempo de seguridad (2 ó 3 segundos), se bloquea el sistema impidiendo la llegada de gas al quemador principal hasta que se corrija la anomalía. Si el detector de llama detecta un fallo en la misma se produce igualmente el bloqueo del sistema 3. FORMA DE LA LLAMA La llama es el lugar donde se desarrolla la reacción de combustión entre el gas combustible y el gas comburente. Como la reacción es exotérmica (libera calor), los gases producidos adquieren temperaturas elevadas, con lo que emiten radiación, en parte luminosa, de la masa de gases incandescentes producidos por el proceso de combustión. Para obtener un frente de llama estable, es suficiente que en un punto de ese frente de llama se produzca la igualdad entre la velocidad de la mezcla aire-combustible y la velocidad de propagación de la llama. En estas condiciones, la componente normal de la velocidad de la mezcla aire-combustible es igual a la velocidad de deflagración del gas combustible. El frente de llama que se propaga a través de una mezcla gaseosa combustible-comburente, lo hace con una velocidad que depende de la composición de la mezcla, de su temperatura, presión, homogeneidad y de las formas y dimensiones del recinto donde se desarrolla la combustión. La propagación del frente de llama puede efectuarse a través de dos procesos de características diferentes: deflagración y detonación. No obstante, los casos que se analizrán, se encuadran dentro del primero de los procesos mencionados. La velocidad de propagación del frente de llama en una mezcla aire-combustible puede ser analizada a través de tres métodos: 1) Se introduce la mezcla aire-combustible en un recipiente a la temperatura y presión deseada, y la reacción se produce simultáneamente en todos los puntos. Es posible controlar el desarrollo de la reacción a partir de la variación de la presión y del cambio de la composición del gas. Este sistema no tiene interferencias difusivas o de flujo, y se caracteriza por una notable simplicidad debido al hecho que las condiciones son uniformes en toda la mezcla gaseosa. Lewis y Von Elbe denominaron este método de la auto ignición.

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2) Prevé la propagación de una llama a través de una mezcla gaseosa, con ignición por medio de un detonante local; en este caso, interfieren fenómenos como el movimiento del gas (causado por la expansión) y la difusión de las diversas clases desde un punto a otro.

Fig. 3.1. Llama de un quemador 4. COMBUSTION La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una sustancia o mezcla de sustancias llamada combustible con el oxígeno. Es característica de esta reacción la formación de una llama, que es la masa gaseosa incandescente que emite luz y calor, que está en contacto con la sustancia combustible. La reacción de combustión puede llevarse a cabo directamente con el oxígeno o bien con una mezcla de sustancias que contengan oxígeno, llamada comburente, siendo el aire atmosférico el comburente más habitual. La reacción del combustible con el oxígeno origina sustancias gaseosas entre las cuales las más comunes son CO2 y H2O. Se denominan en forma genérica productos, humos o gases de combustión. Es importante destacar que el combustible sólo reacciona con el oxígeno y no con el nitrógeno, el otro componente del aire. Por lo tanto, el nitrógeno del aire pasará íntegramente a los productos de combustión sin reaccionar.

Fig. 4.1. Reacción de combustión

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• Elementos de la combustión Los elementos necesarios para que se realice la combustión son el comburente y el combustible. Se denomina comburente al medio de reacción que permite que ocurra una combustión. En nuestro planeta, el comburente natural es el oxígeno (O2). Se define combustible a toda sustancia capaz de arder. • Combustión estequiometria o teórica Es la combustión que se lleva a cabo con la cantidad mínima de aire para que no existan sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión no hay presencia de oxígeno en los humos, debido a que éste se ha empleado íntegramente en la reacción. • Combustión con exceso de aire Es la reacción que se produce con una cantidad de aire superior al mínimo necesario. Cuando se utiliza un exceso de aire, la combustión tiende a no producir sustancias combustibles en los gases de reacción. En este tipo de combustión es típica la presencia de oxígeno en los gases de combustión. La razón por la cual se utiliza normalmente un exceso de aire es hacer reaccionar completamente el combustible disponible en el proceso. •

COMBUSTIBLES

Con el nombre de combustibles se designan las sustancias utilizadas para obtener calor. Según sea el estado físico de esas sustancias, los combustibles se clasifican en sólidos, líquidos o gaseosos. De la definición anterior se desprende que la propiedad fundamental de las sustancias combustibles es su poder calorífico, es decir, la cantidad de calor que puede desarrollarse por la combustión de la unidad de combustible (1 kg, 1 m3, etc.). Precisamente esta propiedad permite expresar las cantidades de energía en unidades equivalentes de combustible. -

Combustibles líquidos

Las materias primeras para la obtención de materiales líquidos para motores o para quemar son el petróleo bruto, el al quitar de lignito y alquitrán de hulla. Los combustibles líquidos se distinguen por su alta potencia calorífica por el aprovechamiento completo del espacio que ocupa y por lo tanto buen utilización de los recipientes que puede tener una forma cualquiera fácil impulsión por bombas de gran numero .El petróleo bruto es una mezcla Dejando aparte el uso como combustible de alcoholes (metanol, etc.), los combustibles líquidos más usuales son los derivados del petróleo. Prescindiendo de los carburantes (gasolina), y los combustibles para motores (diesel y queroseno), las fracciones del petróleo usadas como combustibles propiamente dicho son el gasóleo y el fuel-oi. Como las distintas fracciones petrolíferas contienen gran cantidad de especies químicas, resulta improcedente intentar caracterizar cada fracción por su composición.

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Combustibles solidos

El carbón (con sus variantes), la leña (biomasa), los residuos sólidos etc son representantes típicos de combustibles sólidos. Aunque el carbón desempeñó en su día el papel primordial entre todos los combustibles, hoy en día ha sido desplazado por los combustibles líquidos y gaseosos. Sin embargo, como las reservas de carbón siguen siendo las más importantes de todos los combustibles (con excepción de los nucleares), van cobrando importancia las nuevas tecnologías de hidrogenación y gasificación, que permiten obtener combustibles líquidos y gaseosos a partir de aquella forma sólida. El poder calorífico de los carbones depende de su composición. Existen reglas empíricas, como la de Mendeleyev que permiten aproximar dicho valor a partir del análisis elemental y su contenido de humedad. Así, prescindiendo de los inertes, el poder calorífico se calcula por: Hi=0,34.C+1,03 H-0,11 (0-5)-0,025 W

Obteniéndose el poder calorífico inferior en MJ/kg, conociendo los porcentajes de carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y agua, respectivamente. -

Combustibles gaseosos

Según su procedencia se divide en: gas natural gas de tierra que se presenta generalmente en los mismos yacimientos petrolíferos. Productos de destilación: gas de destilación incompleta, gas del alumbrado, gas de horno de coque. Potencia calorífica.- se determina el calorímetro para gases, y también puede calcularse según el análisis del gas por las formulas:

𝐻𝑆 = 30.2𝐶𝑂 + 30.5𝐻2 + 95.3𝐶𝐻4 + 168.2𝐶2 𝐻6 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚2 𝑁 𝐻𝑖 = 30.2𝐶𝑂 + 25.7𝐻2 + 85.5𝐶𝐻4 + 153.7𝐶2 𝐻6 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚2 𝑁

•

PODER CALORIFICO

El poder calorífico es la cantidad de energía por unidad de masa o unidad de volumen de materia que se puede desprender al producirse una reacción química de oxidación. El poder calorífico expresa la energía que puede liberar la unión química entre un combustible y el comburente y es igual a la energía que mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible (energía de enlace), menos la energía utilizada en la formación de nuevas moléculas en las materias (generalmente gases) formadas en la combustión

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Tabla poder calorífico de algunos combustibles

5. EJEMPLO DE LA CONSTRUCCIÓN DE UN QUEMADOR 5.1. ESQUEMA Y MONTAJE DEL QUEMADOR

Fig. 5.1. Montaje del quemador

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ESQUEMA

1. 2. 3. 4. 5. 5.2.

Depósito de aceite Compresora Pitón Garrafa Válvulas FUNCIONAMIENTO DEL QUEMADOR

Para utilizar el quemador de aceite automotriz usado se deben seguir los siguientes pasos: 1) Se debe de ensamblar los componentes del quemador, el sistema de distribución de combustible donde se tienen tres entradas, una de GLP, otra de Aire comprimido y finalmente la de aceite automotriz usado. Este sistema debe conectarse al tubo del quemador. 2) Cada entrada del sistema de distribución debe conectarse a su respectivo tanque, usando para cada una abrazaderas, con el fin de mantener la seguridad primero. Cada una de estas entradas cuenta con su válvula correspondiente 3) Tras estar seguros de las conexiones realizadas, se procede a encender el quemador, comenzando con todas las válvulas cerradas, inicialmente se abre la válvula de GLP, dándole fuego se enciende el quemador. 4) Teniendo una llama piloto de GLP, se procede a usar la válvula de aire comprimido para entregar una mejor relación de aire combustible y obtener una llama de mayor potencia. Todo esto con el fin de comenzar a calentar el serpentín. 5) Ya caliente el serpentín, se procede a abrir la valvular del tanque de aceite automotriz usado, esto mientras se va cerrando las válvulas de aire comprimido y de GLP, reduciendo la presión entregada y el aceite pueda bajar más fácilmente.

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6) Una vez que se observa que el aceite empieza a quemarse, se cierra completamente la válvula del GLP, solamente entregando aire comprimido para regular la potencia del quemador. 7) La llama del aceite usado ahora es la que calienta el serpentín, y el sistema se mantiene en funcionamiento. 5.3.

CALCULOS PARA EL DISEÑO DEL QUEMADOR

Los cálculos a presentar fueron los realizados para determinar la potencia deseada del quemador. Para la potencia del quemador se debe tomar en cuenta el poder calorífico del aceite automotriz usado, y el flujo másico de alimentación. 𝑃 = 𝑚̇ ∗ 𝐻𝑈 Donde: 𝑃 = 4 𝑘𝑊 𝐻𝑈 = 35

𝑀𝐽 𝑘𝑔

La potencia que es el dato dado, y el poder calorífico investigado en el Fundamento teórico. De la ecuación despejamos flujo másico 𝑚̇ =

𝑃 4 ∗ 103 = 𝐻𝑈 35 ∗ 106

𝒎̇ = 𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟏𝟏𝟒

𝒌𝒈 𝒌𝒈 = 𝟎. 𝟒𝟏𝟎𝟒 𝒔 𝒉

Con el flujo másico necesario para la potencia deseada, entramos a la ecuación del mismo 𝑚̇ = 𝜌 ∗ 𝑣 ∗ 𝐴 Donde: 𝜌 = 876.05 𝐴=

𝑘𝑔 𝑚3

𝜋 𝜋 ∗ 𝐷 2 = ∗ 0.00252 = 𝟒. 𝟗𝟎𝟖𝟕 ∗ 𝟏𝟎−𝟔 𝒎𝟐 4 4

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La densidad obtenida por tablas de propiedades del aceite, y el área calculada a partir del diámetro de salida del pitón, siendo este 2.5 mm Despejando la velocidad de la ecuación de flujo másico: 𝑘𝑔 0.000114 𝑠 𝑚̇ 𝑣= = 𝜌 ∗ 𝐴 876.05 𝑘𝑔 ∗ 4.9087 ∗ 10−6 𝑚2 𝑚3

𝒗 = 𝟎. 𝟎𝟐𝟔𝟓

𝒎 𝒔

Esta es la velocidad necesaria a la salida del pitón para obtener la potencia deseada. Esta velocidad podemos obtenerla por medio de la altura a la que se encuentre el tanque de combustible. Para obtener esta altura se usara la ecuación de Bernoulli. 𝑃1 𝑣1 2 𝑃2 𝑣2 2 + + 𝑧1 = + + 𝑧2 𝜌∗𝑔 2𝑔 𝜌∗𝑔 2𝑔 Donde el punto 1 se encuentra en la superficie del aceite en el tanque, y el punto 2 se encuentra en la salida del pitón. La presión 1 y la presión 2 se descartan ya que ambos puntos se encuentran a presión atmosférica. La velocidad 1 se descarta por ser despreciable al ser un tanque de “grandes dimensiones” La altura en 2 se descarta al ser la altura de referencia.

Quedando finalmente: 𝒛𝟏 =

𝒗𝟐 𝟐 𝟐𝒈

Despejando la velocidad obtenemos 𝒗𝟐 = √2𝑔𝑧1

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QUEMADORES

Comparando con ecuación propuesta por el “Manual de Formulas Técnicas” de Kurt para velocidad de salida de líquidos en recipientes se tiene: 𝒗 = ∅ √2𝑔𝑧 Donde ∅: 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑙𝑖𝑞𝑢𝑖𝑑𝑜 Para el aceite: ∅: 𝟎. 𝟎𝟓𝟔 Despejando la altura y reemplazando datos: 2

𝒛𝟏 =

(0.0265⁄0.056) 2 ∗ 9.78

𝒛𝟏 = 𝟎. 𝟎𝟏𝟏𝟒𝟓 𝒎 = 𝟏𝟏. 𝟒𝟓 𝒎𝒎

Al no tener una potencia muy elevada y contar con un poder calorífico del combustible elevada, no debe contar con bastante flujo másico y por tanto es mínima la velocidad necesaria. QUEMADOR EN FUNCIONAMIENTO

Fig. 5.2. Quemador encendido

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QUEMADORES

6. BIBLIOGRAFIA -

Marques Martínez, combustión y quemadores, editorial marcombo España 2005

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H. Dubbel, Manual de constructor de máquinas tomo 1, editorial labor S. A. Barcelona 1975

-

https://www.dirind.com/dim/monografia.php?cla_id=75

-

Campsa.-Manual de mantenimiento de instalaciones de calefacción y A.C.S..- 1987

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Giuliano Salvi.-La combustión.-Editorial Dossat.-isbn 8423704254