Cálculo de la temperatura de combustión.
Agradeceremos nos haga llegar su opinión sobre el uso de este procesador y si le ha sido útil su contenido
Objetivos.
Energía que desarrolla el proceso de combustión.
Formulario registro de los datos
Resultados del proceso de validación
Panel que muestra el resultado del procesador
¿
Sobre qué trata la información que se presenta en esta página?
El procedimiento a seguir para determinar un valor de temperatura representativo de la calidad de la energía que se genera al combustionar los combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. Este valor es indicativo del potencial energético que puede desarrollar el combustible y mide la capacidad que existe en el portador energético de poder realizar un trabajo útil, de aprovecharse la energía generada correctamente.
Para realizar la tarea se ha diseñado un Calculador_Energético titulado Balance Térmico del proceso de combustión que tiene a su cargo la tarea de tener programado los pasos a dar, las ecuaciones y las cifras o constantes que se necesitan. En la página anterior (linkl al final de esta página), se explicaron las expresiones de cálculo empleadas y las bases utilizadas para determinar el Aire primario y los Productos (Humos) de la Combustión.
¿Qué importancia tiene determinar y controlar el valor de temperatura que se alcanza en el seno de la combustión?
La calidad de un proceso de combustión se mide por la relación entre la temperatura que puede alcanzar la llama, la temperatura de los productos de la combustión y la temperatura ambiente o de referencia. Estas diferencias de temperatura marcan el potencial motriz del proceso de transferencia de calor y en la medida que se alcancen valores más altos, más rápido será el calentamiento y más energía se podrá convertir en trabajo.
Por lo que en la medida que la temperatura en el seno de la combustión sea mayor con la menor cantidad de combustible, más trabajo se puede realizar. Si medimos en un proceso de combustión la temperatura teórica de llama mediante un pirómetro y la comparamos con la temperatura teórica calculada que alcanzarían los productos de la combustión en un proceso adiabático, sabremos cuán lejos estamos del proceso ideal y cuanto se puede hacer para mejorar la eficiencia de la combustión.
Partiendo de un mismo combustible podemos aumentar la temperatura de los humos generados, de la llama y con ello la eficiencia energética, bajo las siguientes situaciones:
a)
Si se realiza una combustión completa y no hay presencia de combustible no quemado. Eso quiere decir que se trate de transformar en calor, la mayor cantidad de energía química contenida en el combustible.
b) En la medida que el exceso de aire que asegura una combustión completa sea menor.
c)
Si se enriquece con oxígeno el aire para la combustión. Esto quiere decir que se reduce el aire en exceso y disminuye proporcionalmente el volumen de nitrógeno (inerte) que se incorpora.
d) Precalentando el combustible que se quemará, para incorporar más energía y pulverizar mejor las partículas de combustible.
e) Precalentando el aire primario para la combustión.
El conjunto anterior de situaciones, sumado a otras más, son soluciones que se aplican para mejorar el proceso de combustión.
Procedimiento empleado para el cálculo de las temperaturas que se alcanzan en el seno de una combustión.
Partiremos de un balance energético sencillo, en la zona donde ocurre la combustión, digamos la boquilla de un quemador y el hogar donde ese quemador ha sido montado. Revisemos el siguiente cuadro.
| Entrada |
Boquilla |
Salida |
| corriente |
potencial energético |
Proceso de Combustión. Reacciones de combustión con el oxígeno del aire.
|
corriente |
energía generada |
Combustible
|
Poder Cal. Neto +
Calor sensible
|
Productos de la combustión a altas temperaturas que transfieren el calor al medio |
Productos Calentados, Fusión o Vapor de Agua generado |
| Aire |
Calor sensible |
humos calientes que se emiten |
Vapor de atomiz.
(si se aplica) |
Calor sensible + latente |
pérdidas por transferencia de calor con el exterior |
Ya se puede planear una expresión que nos permita realizar el cálculo de la temperatura teórica que pudiera alcanzarse en el seno de la combustión, para lo que tenemos que considerar que el sistema es muy cercano a lo ideal, adiabático, lo que quiere decir que todo el calor que se genera en la combustión, pasará a los productos de la combustión o humos. Esta situación ideal nos facilita calcular un valor de la temperatura que alcanzarían los productos de la combustión en el seno de la misma, un instante antes a que estos gases comiencen a intercambiar calor con los productos o superficies de la cámara que los contiene y con los que se irá poniendo en contacto.
Este valor de temperatura teórica nos servirá para indicarnos que soluciones podemos aplicar para realizar un proceso de combustión con eficiencia. Las variaciones de la temperatura teórica esta en función de variables energéticas medibles que pueden ser modificadas y controladas fácilmente, por ello podemos actuar sobre ellas y mejorar el rendimiento del proceso.
Calculando toda la energía que se aportará en el proceso de la combustión y que idealmente pasaría a los productos de la combustión que se generan, se determina el valor de la temperatura teórica que se alcanzarían los productos en el seno de la combustión. En la medida que el combustible que se alimenta al proceso contenga mayor potencial energético, se realicen correctamente las reacciones químicas de la combustión, más calor se desarrollará en este proceso y mayor será la temperatura que se reporte.
El aire es una corriente imprescindible en el proceso de la combustión, pues contiene el oxígeno que necesitan las reacciones químicas básicas, pero a su vez está compuesto por un 79 % en volumen de N2, que es un gas inerte, que absorbe gran parte del calor generado, y de no existir un eficiente mecanismo de transferencia de calor, para captar ese calor y generar energía útil, ese volumen se escapará a la atmósfera con el calor contenido en él. Todo lo que podamos hacer para aportar más oxígeno y menos nitrógeno, ayudará a elevar la eficiencia de la combustión, claro está, sin detrimento de los mecanismos de transferencia de calor que sí necesitan de un volumen de gases calientes determinado para realizarse correctamente. En los procesos de calentamiento que predomina la energía radiante cómo fuente principal para generar energía útil, y la dinámica del flujo no es la limitante. en esos procesos las llamas de alto poder oxidante generan temperaturas elevadísimas.
Hay muchos aspectos a comprobar al pié de los equipos generadores de calor, y que intervienen en la eficiencia de la combustión. Precisamente, el contenido de este artículo tienen ese objetivo, refrescar conocimientos y facilitar métodos que sirvan para mejorar esa eficiencia.
Mencionaré algunos de los aspectos que a mi entender son importantes para asegurar una buena combustión y requieren de un control sistemático.
- La atomización del quemador, el ángulo de atomización, la longitud de la llama y su forma o proyección, contrastando estos parámetros con las dimensiones y paredes de la cámara de combustión.
- La pulverización del combustible que produce la o las boquillas, el tamaño de las partículas de combustible y la turbulencia que se produce.
- Observar si se forman
deposiciones de carbón en las zonas cercanas, debajo de la la placa donde está fijado o al frente del quemador.
-
Revisar si la llama en su desarrollo choca con paredes o superficie. Los puntos de contactos son zonas donde se crearan depósitos carbonosos generando una combustión ineficiente.
El quemador, uno de los equipos energéticos de mayor importancia industrial y comercial. Es el equipo mecánico donde se desarrolla el proceso de la combustión, proceso éste que es el principal emisor de gas CO2 a la atmósfera coincidiendo también con uno de los principales procesos de transformación energética empleados universalmente en los sistemas y equipos térmicos.
Debemos tener en cuenta la cantidad de combustible, energía que se transforma y kg de CO2 (y otros gases contaminantes no registrados en esta página) que se emiten a la atmósfera por cada lb de combustible fósil que se procesa en un quemador de pequeña capacidad, digamos (1 Millón de Btu, unos 300 kw).
En un año de operación de 7000 horas, un programa muy común en cualquier sector que necesita generar calor, un quemador de este tipo habrá procesado:
- Combustible líquido o gaseoso, unas 200 a 250 ton con un costo en el mercado actual de 125 a 200 mil dólares
- Energía química transformada en calor, alrededor de
2.5 GigaWatt que equivale a la energía eléctrica anual que consumen unos 1000 hogares con un consumo mensual de 200 a 220 kWh.
-
600 y 750 ton de CO2
En 25 años de vida útil, enviará a la atmósfera unas 18 a 19 mil ton de CO2. Como se aprecia, los niveles de emisión son cifras a tomar en cuenta.
Todos estos aspectos están ligados al resultado del proceso de combustión y a la eficiencia energética de cómo se realiza.
Combustión adiabática.
La expresión básica para determinar la energía liberada en el proceso de la combustión y su calidad sigue a continuación:
Base. 1 lb de combustible quemado y temperatura de referencia de 32 ºF o 492 ºR. Los volúmenes se reportan bajo condiciones normales (N) @32 ºF y 29.92"Hg
temp teórica, ºF = [(pccsl ó pcsg +
mfo*cpfo*tfo + Varh*cpaire*tair + mvapatom*hvapatom ) / (VGHexceso*cph),
donde:
pccsl ó pcsg: es el Poder Calórico Inferior (Neto). Btu/lb
mfo es 1 lb o la unidad
cpfo es el calor específico del combustible, en Btu/lb ºF
tfo la temperatura de entrada al quemador del combustible, ºF
Varh es el volumen de aire real en pie3 N/lb de combustible (@ 32 ºF y 29.92 “Hg), considerando el exceso de aire.
cpaire (0.019, el calor específico medio del aire en Btu/pie3 N ºF (500 y 1000 ºR)
taire, temperatura que entra el aire primario al quemador, ºF
mvapatom (0.1-1.5), de inyectarse vapor para atomizar el combustible, se incluye en el balance, lb/lb combustible.
hvapatom, de inyectarse vapor de atomización, la entalpía del vapor, Btu/lb
VGHexceso, es el volumen de humos húmedos que se produce, en pie3 N/lb de combustible (@ 32 ºF y 29.92 “Hg), considerando el exceso de aire.
cph el calor específico promedio de los humos, en Btu/pie3 N ºF y calculado estimando una temperatura de salida para los humos.
Hay dos variantes principales en la estructura e información del procesador que el usuario debe tener en cuenta:
Variante 1. El usuario conoce las variables pccsl ó pcsg, Varh, VGHexceso y el cph que se presentan en el proceso de combustión.
Variante 2. El usuario no conoce las variables anteriores, o no conoce una y requiere que el procesador las estime. El procesador está capacitado para realizar estas determinaciones con un grado de aproximación aceptable para el uso industrial. Para que el procesador programado determine el
pccsl ó pcsg, Varh o el VGHexceso, necesitará disponer de la composición química del combustible. La composición química se expresará en porciento en peso, para los combustibles sólidos y líquidos. Y en porciento en volumen, para los gaseosos. Si no se conoce el dato cph, para que el procesador lo calcule es necesario registrar la composición química de los productos de la combustión ó humos, expresada en fracción volumétrica.
El valor que alcanza la temperatura teórica del proceso de la combustión es el parámetro que nos indica la calidad ideal con la que se desarrolla este mecanismo de transformación de la energía y que potencial máximo libera en forma de calor. El parámetro temperatura de la combustión es una función de las siguientes variables:
a)
potencial calórico y la temperatura de entrada del combustible,
b)
del volumen y temperatura del aire primario para realizar la combustión,
c)
el volumen del aire primario a su vez está en función del porciento de aire en exceso que se utilice,
d)
de la temperatura del vapor de atomización, (o aire para ello),
e) de la cantidad y calidad del vapor de atomización, de aplicarse esta corriente.
f) del volumen de humos que se genera y de su composición química
Se puede observar cómo se irán reportando diferentes cifras del valor de la temperatura de combustión variando estos parámetros. Valores más altos, combustión más eficiente. Valores más bajos, menos eficiente.
Para realizar este procesamiento de cálculo se ha diseñado un calculador, que se compone de varios bloques que interactúan entre sí:
a) Bloque de códigos que dan origen al Formulario de Registro
b) Bloque de códigos para validar los registros primarios
c) Códigos que dan origen al Panel de resultados
d) Bloque del procesador
e) Y todo en estrecha vinculación con el resto de los Calculadores_Energéticos que son fuentes de datos o complementos.
Cálculador.
Se presenta el Formulario para registrar la información de entrada. La estructura se ha dividido en cuatro secciones con diferentes tonalidades de colores.
a) La sección formada por colores azules oscuros, donde se brindan informaciones e incluye la selección que el usuario debe realizar del estado físico del combustible que se procesará. También en esta sección azul se encuentra el botón de ENVIAR la información registrada para su procesamiento.
b) Sección de tonalidades en color verde, que está compuesta por los registros de los combustibles fósiles en estado sólido y líquido (carbones y antracitas, fuel oil y derivados medianos, ligeros y gases licuados).
c) De tonalidades en amarillo, correspondiente a los registros de los combustibles gaseosos (el gas natural y el gas licuado).
d) La sección final, de tonalidades en azul claro, que se corresponden con registros de parámetros que son comunes a los 3 estados de los combustibles. Incluye el registro de
la composición de los productos de su combustión, lo que es común en cualquier estado físico del combustible. Esta información se necesitará cuándo el usuario no dispone del dato del calor específico promedio que presentan los humos. En esta sección el usuario tiene que registrar otros datos cómo la temperatura ambiente, la temperatura de los productos de la combustión o humos, la humedad del aire, los calores específicos del combustible o de los humos, si lo conoce, el exceso del aire en los proceso de combustión, etc.
Una vez que se ha registrado los parámetros requeridos, la información se envía, se procesa y se muestra el resultado en el Panel de Salida.
 |
El Panel de Salida presentará los indicadores calculados. En el caso que el calculador realice el procesamiento de los registros siguiendo la Variante 1, hay varios indicadores secundarios que no son mostrados al no ser determinados en esta opción, debido a carecer de la información primaria. Estos son los relacionados con los estados secos en el Volumen de humos y su densidad, ya que el procesador no considera registrar el parámetro humedad absoluta en los humos.
El procesador cuenta con un bloque de códigos que se ocupa de validar los registros que ha realizado el usuario. El objetivo es evitar pérdidas de tiempo y recursos, asegurando procesar solamente aquellos paquetes de información que siguen el objetivo técnico para el que ha sido diseñado el Calculador_Energético.
Se supone y también se comprueba en el bloque de validación, que si se registran datos para un estado determinado, no se hagan registros fuera de la sección correspondiente de ese estado. Qué si se elige una Variante no se duplique información en la otra. El procesador es una herramienta que cómo se comprende, resuelve un cálculo complicado para facilitar indicadores energéticos de alto valor informativo. En la medida que el usuario sea más cuidadoso y eficiente al introducir la información, se obtendrá de este proceso un mejor resultado. Por eso se recomienda previamente revisar bien los registros que se solicitan, que datos se tiene en mano y cuáles no, de forma de poder estar seguro antes de registrar información y enviar los datos a su procesamiento. De esa forma se ahorrará tiempo y se ganará en precisión.
Diagrama con los pasos a seguir al registrar los datos en el Formulario para evitar perdida de tiempo.
Los datos que se solicitan registrar en el procesador de cálculo son los que generalmente estan disponibles en los sistemas de combustión y que pueden ser leidos en instrumentos de medición instalados en los equipos.
Si falta uno de los registros, el proceso de validación de datos bloquea el calculador y no mostrará los resultados, lo que es molesto para el usuario. Por eso es recomendable que previamente se anoten los datos que son obligatorios y posteriormente, ir al formulario.
Explicación:
1- El calculador necesita conocer que tipo de combustible entra en el sistema.
2- Para poder calcular toda la energia que ENTRA, se necesitan las temperaturas de entrada del combustible y del aire, el calor especifico del combustible y su poder calorico, así como la temperatura ambiente.
3- El cálculo de la energía que SALE del sistema requiere comnocer la temperatura de los humos y el calor especifico de los humos.
4- Si no se cuenta con el poder calorico del combustible, el procesador lo calcula partiendo de la composición química.
5- Si no se conoce el volumen de aire primario necesario para la combustión y el volumenen de humos, el procesador los calcula partiendo de la composición química del combustible.
6- Si no se conoce el calor especifico de los humos, el procesador lo calcula si se registra la composición química de los humos.
Este último no se representa en el diagrama, se sobreentiende
Para asegurar la calidad de la información, a continuación se validan los datos registrados anteriormente.
Como se puede observar, para cada tipo de dato se han habilitado campos de selección que contiene los valores formateados, limitados y predefinidos, en el intervalo realmente posible. El usuario solo tiene que seleccionar el valor que coincide con el dato correspondiente. Esto garantiza que los caracteres que se envíen sean los correctos (numéricos) y que el usuario pueda introducir exclusivamente datos que el procesador asimile.
Para poder consultar el resto del contenido de la página, se exige previamente introducir los datos en el Formulario y enviarlos para su comprobación. Si la operación de comprobación no da luz verde, no se puede continuar. Es una condición imprescindible.
Resultados del proceso de validación
Resultados del proceso de captar las variables humos
CO2 =
CO =
O2 =
SO2 =
SH2 =
N2 =
CnHm =
------Validando el registro del estado físico de los combustible------
1.2 Estado físico seleccionado OK
Soy combustible =
------Validando el registro de la temperatura ambiente, temperatura del combustible, el calor específico del combustible -----
2.1 Registre la temperatura ambiente. No puede ser cero |
