Francisco José Entrena González - Eficiencia energética en las instalaciones de calefacción y acs en los edificios. ENAC0108

Aplicación práctica

Una fábrica de cerámicas ha solicitado un presupuesto para la sustitución de las calderas diésel, que emplea para calentar los hornos, por calderas de biomasa que trabajen con hueso de aceituna. El cliente es un perfecto conocedor de los procesos de combustión, y quiere que en el presupuesto aparezca porque se trata de un proceso eficiente. Como técnico encargado, debe seleccionar el proceso de combustión más adecuado en el que debe trabajar la caldera y justificarlo al cliente.

SOLUCIÓN

Desde el punto de vista de la velocidad de combustión, la caldera debe trabajar en un régimen de combustión estable donde la proporción de hueso de aceituna y aire sea constante, ya que permite un menor consumo de hueso de aceituna, mejorando la eficiencia.

Las proporciones de hueso de aceituna y aire deben permitir una combustión completa acercándose a proporciones estequiométricas, de manera que no se produzca un exceso de aire que haga perder calor a la caldera, ni un defecto de aire que produzca una combustión incompleta del hueso de aceituna.

Teniendo en cuenta estos dos factores, a la hora de producir la combustión del hueso, la caldera trabajará en un proceso eficiente donde el consumo de combustible será el estrictamente necesario.

Desde el punto de vista de la eficiencia se debe conseguir reacciones de combustión completas, cercanas a la combustión neutra o estequimétrica.

La relación entre la cantidad de aire introducida en el proceso de combustión y la necesaria, es el “coeficiente de exceso de aire” (n):

Donde:

n = 1 Combustión estequiométrica.

n < 1 Mezcla rica (falta de aire).

n > 1 Mezcla pobre (exceso de aire).

Como puede suponerse, la mayoría de las combustiones se producen fuera de la relación estequiométrica entre combustible y aire, por lo que se puede clasificar la combustión de una mezcla en función del nivel de aire existente.

Combustión con exceso de aire

Cuando la cantidad de aire aportada supera a la necesaria para la combustión estequiométrica se produce una combustión con exceso de aire. En estas condiciones la combustión puede ser completa o incompleta y recibe el nombre de mezcla pobre,puesto que la cantidad de combustible es insuficiente.

Ejemplo

En los motores diésel de combustión interna alternativos (motor de un coche) se buscan combustiones con excesos de aire, es por ello que algunos motores incorporan un eje llamado turbo que introduce una cantidad de aire mayor que la necesaria, con el fin de aportar una mayor potencia sin aumentar excesivamente la cantidad de combustible.

Combustión con defecto de aire

Cuando la cantidad de aire es insuficiente para poder realizar la combustión estequiométrica de la mezcla, se produce una combustión rica, ya que la cantidad de combustible empleada es mayor de la necesaria.

Ejemplo

Si realizamos la combustión del metano con defecto de aire:

Se producen residuos inquemados como el hidrógeno (H 2) y el monóxido de carbono (CO) y, por lo tanto, una pérdida de producción de calor.

Lo ideal es realizar una combustión estequiométrica, sin embargo esto es técnicamente muy complicado, por lo que opta por realizar combustiones completas con exceso de aire y lo más cerca al punto de combustión estequiométrica. Debe tenerse en cuenta que cuanto mayor es el exceso de aire menor es el calor aprovechado, puesto que una parte del calor de la combustión se emplea en el calentamiento de humos, los cuales aumentan con el exceso de aire.

Importante

Es muy importante realizar correctamente la puesta a punto de la caldera de un edificio para evitar combustiones con exceso de aire que producen grandes cantidades de humos además de combustiones incompletas, las cuales contribuyen a un aumento innecesario de consumo de combustible.

Puesta a punto de una caldera

Lo más importante para lograr una correcta combustión es diseñar correctamente la cámara de combustión y el sistema de inyección, de manera que se consiga una correcta mezcla del combustible-aire. Los combustibles gaseosos son más flexibles a la hora de mezclarse con el aire, en cambio combustibles líquidos y sólidos realizan combustiones generalmente muy lejos de los puntos estequiométricos.

Los diagramas de combustiónse emplean a la hora de realizar los cálculos de combustión de una forma precisa y rápida. El proceso de combustión genera gases cuyas proporciones dependerán de las concentraciones de aire y combustible en la mezcla. La composición de una combustión se puede representar mediante diagramas, además de ellos podemos obtener la relación de humos o productos de desecho de la combustión.

Diagrama de combustión

Los diagramas de combustión permiten calcular el exceso de aire del proceso, así como la composición de los humos, además de las proporciones de CO 2y oxígeno necesarios.

Diagrama de Ostwald

El diagrama de Ostwald determina el exceso de aire mediante el porcentaje de los gases que intervienen en la combustión.

En este diagrama podemos diferenciar los siguientes elementos:

1 Línea de combustión completa: es la línea que representa el proceso de combustión completa donde todo el carbono se transforma en CO2.

2 Rectas equivalentes en CO: son un conjunto de rectas paralelas a la línea de combustión completa que determina la cantidad de monóxido de carbono que se genera en una combustión incompleta.

3 Paralelas de exceso o defecto de aire: son un conjunto de líneas paralelas que indican el coeficiente de exceso de aire de la combustión.

Nota

La línea de aire o línea estiquimétrica divide el diagrama de Ostwald en dos zonas: una para las combustiones con exceso de aire y otra para las combustiones con defecto de aire.

El diagrama de Ostwald es muy útil para determinar el tipo de combustión que se lleva a cabo de una forma rápida y sencilla. Cada combustible presenta un diagrama distinto, por lo siempre debemos comprobar que se está empleando el diagrama correcto. Como limitación, el diagrama de Ostwald solo muestra las cantidades de CO producidas y no el resto de posibles productos inquemados.