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| Eficiencia energética en las instalaciones de calefacción y ACS en los edificios. ENAC0108 Francisco José Entrena González |
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Eficiencia energética en las instalaciones de calefacción y ACS en los edificios. ENAC0108
Autor: Francisco José Entrena González
1ª Edición
© IC Editorial, 2014
Editado por: IC Editorial
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ISBN: 978-84-16271-43-6
Nota de la editorial: IC Editorial pertenece a Innovación y Cualificación S. L.
Presentación del manual
El Certificado de Profesionalidad es el instrumento de acreditación, en el ámbito de la Administración laboral, de las cualificaciones profesionales del Catálogo Nacional de Cualificaciones Profesionales adquiridas a través de procesos formativos o del proceso de reconocimiento de la experiencia laboral y de vías no formales de formación.
El elemento mínimo acreditable es la Unidad de Competencia. La suma de las acreditaciones de las unidades de competencia conforma la acreditación de la competencia general.
Una Unidad de Competencia se define como una agrupación de tareas productivas específica que realiza el profesional. Las diferentes unidades de competencia de un certificado de profesionalidad conforman la Competencia General, definiendo el conjunto de conocimientos y capacidades que permiten el ejercicio de una actividad profesional determinada.
Cada Unidad de Competencia lleva asociado un Módulo Formativo, donde se describe la formación necesaria para adquirir esa Unidad de Competencia, pudiendo dividirse en Unidades Formativas.
El presente manual desarrolla la Unidad Formativa UF0565: Eficiencia energética en las instalaciones de calefacción y ACS en los edificios,
perteneciente al Módulo Formativo MF1194_3: Evaluación de la eficiencia energética de las instalaciones en edificios,
asociado a la unidad de competencia UC1194_3: Evaluar la eficiencia energética de las instalaciones de edificios,
del Certificado de Profesionalidad Eficiencia energética de edificios.
Índice
Portada
Título
Copyright
Presentación del manual
Índice
Capítulo 1 Termodinámica y transmisión de calor
1. Introducción
2. Conceptos básicos de termodinámica
3. Transmisión de calor
4. Resumen
Ejercicios de repaso y autoevaluación
Capítulo 2 Combustión y combustibles
1. Introducción
2. Combustión
3. Combustibles
4. Resumen
Ejercicios de repaso y autoevaluación
Capítulo 3 Instalaciones calefacción y producción de ACS
1. Introducción
2. Definiciones y clasificación de las instalaciones
3. Partes y elementos constituyentes
4. Análisis funcional
5. Calderas
6. Quemadores
7. Acumuladores e interacumuladores de agua caliente sanitaria
8. Depósitos de expansión
9. Chimeneas
10. Resumen
Ejercicios de repaso y autoevaluación
Capítulo 4 Redes de transporte
1. Introducción
2. Bombas. Tipos de bombas y características
3. Redes de tuberías
4. Resumen
Ejercicios de repaso y autoevaluación
Capítulo 5 Equipos terminales de calefacción
1. Introducción
2. Radiadores
3. Fancoils y aerotermos
4. Suelo radiante
5. Resumen
Ejercicios de repaso y autoevaluación
Capítulo 6 Regulación y control de instalaciones de calor
1. Introducción
2. Control de instalaciones de calefacción y ACS
3. Telegestión
4. Resumen
Ejercicios de repaso y autoevaluación
Capítulo 7 Diseño eficiente de las instalaciones de calefacción y ACS
1. Introducción
2. Eficiencia en la generación de calor
3. Eficiencia en la distribución: redes de tuberías
4. Eficiencia en el control de instalaciones
5. Contabilización de consumos
6. Limitaciones en la utilización de la energía convencional
7. Calidad térmica del ambiente
8. Calidad e higiene del aire interior
9. Calidad del ambiente acústico
10. Resumen
Ejercicios de repaso y autoevaluación
Capítulo 8 Contribución solar para agua caliente sanitaria y piscinas
1. Introducción
2. Condiciones generales
3. Porcentaje de contribución solar mínima
4. Pérdida límite por orientación, inclinación o sombras
5. Rendimiento mínimo anual
6. Condiciones aplicables a las conexiones de captadores solares
7. Condiciones de los acumuladores en aplicaciones de ACS
8. Potencia mínima de intercambiadores de calor independientes
9. Especificaciones en la colocación de tuberías
10. Caudales recomendados en el primario
11. Condiciones que deben cumplir los grupos de bombeo
12. Condiciones que deben cumplir los sistemas de purga de aire
13. Sistemas auxiliares de apoyo mediante energía convencional
14. Condiciones que deben cumplir los sistemas de control
15. Resumen
Ejercicios de repaso y autoevaluación
Capítulo 9 Rendimiento y eficiencia energética de los elementos de las instalaciones térmicas
1. Introducción
2. Aparatos de medida
3. Mediciones energéticas
4. Rendimiento de generadores de calor
5. Rendimiento y eficiencia energética de bombas
6. Rendimiento y eficiencia energética unidades terminales
7. Registro de consumos
8. Resumen
Ejercicios de repaso y autoevaluación
Bibliografía
Capítulo 1
Termodinámica y transmisión de calor
1. Introducción
La termodinámica es una rama de la física que trata el estudio de las transformaciones energéticas y las relaciones existentes entre las diferentes propiedades físicas de las sustancias que sufren dichas transformaciones. El origen de esta ciencia se remonta al uso del calor para la creación de trabajo, mediante las llamadas máquinas térmicas.
Aunque la termodinámica es una ciencia que puede entenderse sin un conocimiento muy profundo de física, a lo largo del capítulo se expondrán conceptos básicos tales como unidades, sistemas de conversión, escalas termométricas, etc.
Para establecer la eficiencia energética de un sistema, es necesario el estudio de la termodinámica desde un punto de vista práctico, que nos permita relacionar conceptos teóricos aplicados a una instalación. De la aplicación de los principios termodinámicos, debemos ser capaces de calcular, a través de las mediciones obtenidas de una instalación existente, la eficiencia de la misma, además de evaluar la posibilidad de la mejora en el rendimiento de los procesos y la disminución de las pérdidas.
2. Conceptos básicos de termodinámica
Para estudiar un proceso termodinámico de una instalación, deben establecerse los límites del sistema. El sistema termodinámico es la parte del espacio que se encuentra separado del resto del entorno mediante un límite definido, aunque pueda permitir el intercambio de energía y materia.
Ejemplo
Una tubería es un ejemplo de sistema termodinámico, ya que en una sección de esta, las paredes de la tubería aíslan el interior respecto del entorno; sin embargo, estas pueden intercambiar materia (agua, gas, aceite...) y energía (calor) con el entorno.
El sistema termodinámico se encuentra aislado del entorno mediante unos límites definidos. Los límites pueden permitir el intercambio de materia y energía. Clases de sistemas:
1 Cerrado: donde la masa o materia es constante y solo se intercambia energía.
2 Abierto: donde, además de energía, también se intercambia materia con el entorno.
3 Aislado: entre el sistema y el entorno no se produce intercambio de materia ni energía.
Actividades
1. Busque en su entorno tres ejemplos distintos de sistemas, diferencie cuáles son sus límites e identifique de forma razonada de qué clase de sistema se trata.
2.1. Unidades y conversión
El estado de un sistema se determina por el conocimiento de una serie de propiedades expresadas en unidades. Estas propiedades pueden relacionarse entre ellas, por lo que es necesario establecer sistemas de conversión.
Definición
Estado de un sistema
Es la situación termodinámica en la que se encuentra dicho sistema en el momento de estudio.
Mediante las propiedades, podemos calcular los cambios de energía que se producen en un sistema. Se pueden encontrar dos clases de propiedades:
1 Las que dependen de la masa: propiedades extensivas.
2 Las que no dependen de la masa del sistema: propiedades intensivas.
Presión
La presión es una propiedad intensiva de un sistema termodinámico, cuya unidad en el Sistema Internacional (SI) se expresa mediante Pascales (Pa). Presión es el resultado de aplicar una determinada fuerza (Newton), en una superficie (m2).
Donde:
P = Presión (Pa).
F = Es la fuerza aplicada para ejercer dicha presión (N).
A = Es la superficie de aplicación de la presión (m2).
Aunque siempre se deben expresar las unidades en SI, existen situaciones en las que resulta más cómodo convertirlas a otras unidades equivalentes.
| bar | N/mm2 | kp/m2 | |
| 1 Pa (N/m2) | 10-5 | 10-6 | 0,102 |
Por otra parte, una atmósfera (atm) es igual a:
1 atm = 101.325 Pa = 760 mmHg
Donde mmHg es la presión medida en milímetros de Mercurio.
Ejemplo
Vamos a estudiar dos métodos para convertir unidades:
1 ¿Cuántos Pascales son 350 · 10-5 N/mm2?Partiendo de 1 Pa = 10-6 N/mm2 Multiplicamos en cruz: 10-6 N/mm2 = 1 Pa 350 · 10-5 N/mm2 = X PaPartiendo de 1 Pa = 1 N/m2 y de 1 m2 = 1.000.000 mm2 = 1 · 106 mm2 Convertimos los N/mm2 en N/m2 350 · 10-5 N/mm2 = 350 · 10-5 N * 106 mm2Donde los mm2 se anulan y nos queda: 3500 N/m2 = 3500 Pa
2 ¿Cuántos Pascales son 0,052 mmHg? Partiendo de 760 mmHg = 101.325 Pa 0,052 mmHg = X Pa
Temperatura
La temperatura es un parámetro que nos permite cuantificar la variación de calor que sufre un determinado sistema. Al igual que la presión, se trata de una propiedad intensiva y sus unidades se expresan en grados Kelvin (°K).
Densidad
La densidad es una propiedad termodinámica de carácter intensiva. La densidad es la cantidad de masa existente en un sistema dentro del volumen determinado por el mismo, sus unidades en el SI son Kg/m3.
Volumen
Se entiende por volumen el espacio encerrado dentro de un sistema termodinámico. Al contrario que las magnitudes anteriormente estudiadas, el volumen es una propiedad extensiva, es decir, depende directamente de la masa existente en el sistema. En el SI el volumen se expresa en m3.
Sabía que...
La ecuación del gas ideal P · V = n · R · T relaciona magnitudes intensivas y extensivas de un sistema termodinámico.
Energía interna, entalpía y entropía
Además de las propiedades anteriormente estudiadas, la energía interna de un sistema, su entalpía y su entropía son también parámetros característicos que definen un determinado estado del sistema.
2.2. Concepto de energía y calor
La energía es el motor que produce el cambio en cualquier sistema, además la energía presenta sus variaciones del sistema en distintas formas, por ejemplo: energía mecánica, energía calorífica, energía química, energía eléctrica, etc.
Caldera de un tren de vapor
La unidad de la energía en el SI es el Julio (J); aunque también podemos encontrar la energía expresada en calorías (cal) o kilocalorías (kcal), siendo su equivalencia: 1 cal = 4,18 J.
Energía en un sistema termodinámico
Los sistemas termodinámicos se basan en el intercambio de energía, tales como energía mecánica, energía química, calor, etc. Dentro de un mismo sistema termodinámico podemos encontrar los siguientes tipos:
1 Energía mecánica. La energía mecánica se descompone en energía cinética (Ec) y energía potencial (Ep). La energía cinética se genera cuando un sistema está en movimiento o produce una variación del mismo.La energía potencial puede ser gravitatoria, eléctrica o magnética. En el caso de los sistemas termodinámicos, esta suele ser gravitatoria.Donde: m = la masa del sistema medida en kilogramos (kg). g = es la gravedad (en el caso de la tierra, g = 9,8 m/s2). h = es la diferencia de altura del sistema estudiado, medida en metros (m).
2 Energía interna. Es la energía que presenta toda masa contenida dentro de un sistema debido al movimiento de sus átomos y moléculas. Ejemplo: si calentamos un recipiente que contiene agua, las moléculas de esta comenzarán a moverse, produciéndose un mayor rozamiento entre las moléculas e incrementando, por tanto, su energía interna.
Variación de la energía interna de un líquido
Para que se produzcan cambios energéticos en un sistema, este debe interactuar con el entorno. Estas interacciones se pueden producir de tres formas distintas:
1 Intercambio de masa. Se realiza cuando un sistema y un entorno intercambian masa (solido, líquido y/o gas).
2 Intercambio mecánico. Se produce cuando la aplicación de fuerzas genera desplazamientos o movimientos entre el sistema y el entorno. La interacción mecánica se conoce por “trabajo” (W), cuyas unidades en SI se expresan en J y que también equivalen a J = N · m.
3 Intercambio térmico. El calor es el intercambio térmico o diferencia de temperatura existente entre el sistema y el entorno.
Calor
El calor (Q) es energía que se desplaza de un sistema a otro debido a la diferencia de temperatura entre ambos. Cuando dos sistemas están en contacto el calor de ambos tiende a igualarse, dando como resultado un equilibrio térmico. El calor es una energía y por tanto sus unidades son el Julio.
Sabía que...
¿Es correcto decir en verano la expresión “tengo calor”?
Según la termodinámica, el calor es energía en constante movimiento, transfiriéndose de un sistema o cuerpo a otro. Por lo tanto, un objeto o sistema no posee calor, sino una temperatura diferente que puede ser comparada con otro sistema, como la temperatura ambiente.
Actividades
2. Llene un vaso de agua directamente del grifo hasta la mitad y mida su temperatura con un termómetro. A continuación, coloque el vaso en la nevera y, transcurrido un tiempo, vuelva a realizar la medición. ¿A qué se debe el cambio en la lectura de la medida? ¿Cuál es el entorno y cuál el sistema? ¿Será la misma temperatura que midió al principio si llena el resto del vaso con agua del grifo nuevamente?
2.3. Escalas termométricas
Como ya se ha estudiado, la temperatura debe expresarse en el SI en grados Kelvin; sin embargo, en la actualidad existen varias escalas termométricas que, dada su importancia en diferentes campos de la ciencia, siguen manteniéndose como válidas. Es por ello indispensable conocer las distintas escalas y tener la capacidad de convertir los valores a cada una de ellas.
La ciencia que se encarga del estudio de la variación térmica es la termometría, y el instrumento empleado para ello es el termómetro.
Termómetro de mercurio
La existencia de las distintas escalas gráficas o termómetros se debe a que cada uno de ellos parte desde distintas ideas de sus creadores y, por tanto, desde distintos puntos de medición. La transformación de valores entre las distintas escalas es posible porque todos guardan una misma relación, la medición de la variación térmica de un cuerpo respecto de otro, lo que significa que si tratamos de medir la temperatura de un cuerpo, la variación térmica que se produzca entre el entorno y el cuerpo o sistema será siempre la misma, independientemente de la escala empleada.
La construcción de un termómetro es posible gracias al Principio Cero de la Termodinámica, enunciado por Ralph H. Fowler, quien expuso que “si un sistema A está en equilibrio con otro sistema B y este a su vez está en equilibrio con un sistema C, entonces los sistemas A, B y C están en equilibrio térmico entre sí”.
Proceso de medición de temperatura mediante un termómetro
Ejemplo
Supongamos que tenemos un termómetro, que es un sistema y queremos medir agua en un vaso que procede de la nevera, que en este caso sería otro sistema “B”. Si se introduce el termómetro en el vaso, ambos sistemas se equilibrarían rápido y al ser la masa del termómetro menor que la del vaso obtendría rápidamente el valor de la temperatura sin producir alteración. No obstante, a medida que vaya pasando el tiempo, la temperatura del agua irá equilibrándose con la del entorno o sistema “C”, y finalmente tanto el agua como el termómetro y el entorno tendrán la misma temperatura.
Además del principio cero de la termodinámica, un termómetro debe presentar las siguientes características:
1 Una masa muy pequeña con respecto al sistema a medir, de esta forma se evita la alteración de la medida por culpa del propio termómetro.
2 Facilidad de variación, para obtener unos valores lo más rápido posible.
3 Capacidad de dilatación termométrica del material empleado como medidor.
Tipos de escalas termométricas
Aunque existe una gran variedad de escalas termométricas, las más empleadas son las siguientes.
Escala Celsius o centígrada
Recibe el nombre de escala Celsius en honor a su creador, Anders Celsius, quien empleó como valor cero (0 °C) el punto de fusión del agua a 1 atm de presión, es decir, la temperatura a la cual el agua pasa de estado sólido a líquido bajo una presión de 1 atm, y como valor 100 °C el punto de ebullición del agua.
Escala Fahrenheit
La escala Fahrenheit (°F) está muy extendida en los países anglosajones por su utilización en meteorología. Esta escala tiene como punto de partida (0 °F) la mezcla de sal de amonio con hielo, y como referencia superior el punto de ebullición del agua fijado a 212 °F.
La conversión de los valores en la escala Fahrenheit al Sistema Internacional requiere de la aplicación de una proporcionalidad directa.
Escala Kelvin
La escala Kelvin (K) o escala absoluta de temperaturas se adoptó para el Sistema Internacional debido a que se establece como cero absoluto el punto térmico en el que desaparece el movimiento interno de las moléculas, siendo este un punto de referencia independiente a valores de presión.
Importante
En el Sistema Internacional no existen temperaturas bajo cero, ya que 0 °K es el cero absoluto y, por tanto, un límite físico.
Escala Rankine
La escala de temperaturas Rankine (R) mide en grados Fahrenheit sobre el cero absoluto, consiguiendo de esta manera una escala en grados Fahrenheit con valores siempre positivos.
Esta escala se usa en termodinámica para ciclos térmicos, sobre todo en Estados Unidos, aunque, debido a los fenómenos de internacionalización de las medidas, cada vez más está quedando en desuso en favor del Sistema Internacional.
Actividades
3. Además de los termómetros de mercurio, existe una gran cantidad de aparatos para la medida de temperaturas. Realice una investigación sobre dichos aparatos y recoja en una tabla las ventajas e inconvenientes que presenta cada uno.
Conversión de medidas entre las diferentes escalas termométricas
Debido a la existencia de varias escalas térmicas y su utilización en diferentes campos de la ciencia, así como en la vida cotidiana, se hace necesario conocer el proceso de conversión de la temperatura en las diferentes escalas termométricas.
| Tabla de equivalencia entre escalas térmicas | ||||
| Escala | Unid. | Equivalencia | Ecuación S.I. | Ecuación |
| S.I. | K | - | - | t(°C) = T(K) - 273 |
| Celsius | °C | 0 °C = 273 K | T(K) = t(°C) + 273 | - |
| Fahrenheit | °F | 0 °F = 255,37 K | T(K) = (t(°F) + 459,67)/1,8 | T(°C) = (t(°F) - 32)/1,8 |
| Rankine | R | OR = OK | T(K) = (5/9)*t(R) | T(°C) = (5/9)*(t(R) - 491,67) |
Aplicación práctica
La empresa EcoClima S. L., donde usted trabaja, se dedica al diseño de instalaciones de calefacción/refrigeración, adaptación de calderas, etc. Esta semana se ha firmado el contrato para la ejecución de una instalación de calefacción de un hotel, y los compañeros de diseño de instalaciones le han pedido, como encargado del material, que seleccione una caldera que trabaje dentro de los parámetros que le han aportado. Del catálogo de calderas que dispone, usted ha eliminado aquellas que no cumplían con las especificaciones de potencia y como resultado han quedado las siguientes tres opciones.
| Temperatura de funcionamiento | ||
| Rango | Mín. | Máx. |
| Lomoostic | 45 °F | 55 °F |
| Ecomatic | 335 K | 355 K |
| BioClima | 590 R | 614 R |
Seleccione aquella que trabaje dentro del rango de temperatura comprendido entre 50 °C y 70 °C.
SOLUCIÓN
Para saber si cumplen con el rango de temperaturas, es necesario convertir los valores de la tabla a °C.
1 La primera caldera presenta la temperatura en grados Fahrenheit, por lo que será necesario aplicar la ecuación:Sustituyendo, se obtiene:Valor que está fuera del rango, por tanto queda descartada.
2 La segunda caldera presenta la temperatura en el Sistema Internacional, cuya ecuación es:Sustituyendo, se obtiene:El valor mínimo se encuentra dentro del rango, ahora vamos a calcular el valor máximo:Al encontrarse fuera del rango, queda descartada también.
3 Ahora vamos a calcular el rango de temperatura de funcionamiento para la caldera BioClima. En este caso, los valores están en grados Rankine, cuya ecuación es:Sustituyendo, queda:Como podemos comprobar, se encuentra dentro del rango de funcionamiento. Por tanto, la caldera que debemos elegir es la caldera BioClima.
3. Transmisión de calor
La experiencia nos dice que el cuerpo que presenta más temperatura le cede calor al cuerpo o sistema de menor temperatura, hasta quedar en equilibrio. A continuación, se abordará el proceso de transferencia de calor y los mecanismos que hacen esto posible.
3.1. Mecanismos de transmisión de calor
La transmisión de calor entre dos sistemas se puede realizar mediante los mecanismos de conducción, radiación y convección. Estos mecanismos se distinguen entre ellos por la manera física de propagar el calor entre los diferentes sistemas. Cabe decir que durante la propagación de calor entre dos o varios sistemas puede producirse la transferencia de calor entre varios mecanismos de forma simultánea.
Radiación
El mecanismo de radiación permite transferir el calor de un cuerpo a otro, sin la necesidad de existir un contacto directo entre ambos. Ello es posible gracias al transporte de la energía mediante ondas electromagnéticas o cuantos.
El fenómeno de transmisión de calor mediante radiación podemos observarlo en el Sol, el cual se encuentra a millones de kilómetros de distancia de la Tierra y separados por el vacío.
El empleo de la radiación como medio de transferencia de energía está muy presente en nuestra vida cotidiana.
Actividades
4. Además del uso de ondas electromagnéticas para calentar un alimento en el microondas, ¿con qué otros fines se emplea la transmisión de energía mediante radiación en la actualidad? Recoja su investigación en una tabla.
La ecuación que permite cuantificar la cantidad de calor emitido por radiación en función del tiempo viene recogida en la Ley de Stefan-Boltzmann, mediante la cual se determinó la temperatura del Sol a partir de la densidad de flujo energética de este.
Donde:
“” es el flujo de calor medido en Watios (W).
“ε” es la emisividad de la superficie de estudio.
“σ” es la constante de Stefan-Boltzmann.
“A” es el área de emisión.
“T” es la temperatura del emisor medida en Kelvin.
Convección
El calentamiento o enfriamiento por convección se produce cuando la transmisión de calor se realiza entre un cuerpo fluido (gas o líquido) que se desplaza en contacto con una superficie sólida, existiendo una diferencia de temperatura entre ambos.
Ejemplo
Un ejemplo de convección se puede encontrar en verano cuando nos ponemos delante de un ventilador, enfocamos un chorro de aire (fluido) hacia nuestro cuerpo (sólido) para acelerar el proceso de intercambio térmico. Al ser la temperatura del aire menor que nuestra temperatura corporal, nos proporciona una sensación de frescura.
Es importante puntualizar que en el caso en el que el fluido se encuentre en reposo, el mecanismo de transferencia de calor se realiza por conducción, aunque los sistemas que entren en juego sean un sólido y un fluido.
El flujo de calor por convección fue establecido por Newton, mediante la ecuación:
Donde:
“h” es el coeficiente de transferencia en convección.
“Ts y Tf” = temperatura del sólido y del fluido respectivamente.
Actividades
5. En la siguiente lista se presenta una serie de situaciones. Clasifique los mecanismos de transferencia que se producen y razone su respuesta.
1 Taza con café.
2 Ventilador/radiador del coche.
3 Calentamiento de agua mediante un equipo solar térmico.
4 Chimenea.
5 Calentar una sartén en la vitrocerámica.
Aplicación práctica
En esta ocasión, sus compañeros de EcoClima S. L. le han pedido que seleccione los emisores/radiadores para cada estancia del hotel. Para saber el modelo que va a emplear, debe calcular el calor aportado por el radiador y compararlo con el calor necesario en la estancia. Con los datos que se aportan a continuación, calcule el calor generado por cada elemento.
Datos:
SOLUCIÓN
Dado que se trata de un radiador, se producen dos mecanismos de transferencia de calor: por una parte radiación y por otra convección.
El primer paso será convertir la temperatura a grados Kelvin.
Ahora procedemos al cálculo del calor aportado por radiación, cuya ecuación es:
Sustituyendo, obtenemos:
El calor aportado por convección se obtiene de la ecuación:
Que, sustituyendo, se obtiene:
Por tanto, el calor total aportado por el elemento/radiador es:
3.2. Conducción. Ley de Fourier
La conducción es un mecanismo de transferencia de calor por contacto directo entre dos sistemas con diferentes temperaturas. El sistema que se encuentra a mayor temperatura presenta una mayor agitación de sus átomos y moléculas que, mediante los rozamientos y las colisiones con los átomos y moléculas del sistema adyacente, transfieren parte de su energía térmica.
Sabía que...
En la mayoría de los metales que presentan una buena conductividad eléctrica la transmisión de calor por conducción entre dos extremos separados se realiza de forma más acelerada. Esto se debe a que el metal presenta electrones libres que pueden desplazarse más rápidamente a lo largo de él.
La conductividad térmica (k) es la magnitud que permite cuantificar la facilidad que presenta un sistema para transmitir el calor. Gracias a esta magnitud diferenciamos entre aislantes térmicos y materiales conductores de calor. La conductividad térmica se mide en W/(K·m).
Fourier estableció mediante una serie de experimentos termodinámicos que la temperatura se desplaza a lo largo de un sólido de forma gradual, disminuyendo la temperatura conforme se distancia del foco generador de calor. La ecuación que rige el mecanismo de transmisión de calor por conducción recibe el nombre de Ley de Fourier y se enuncia como:
Donde dT es la diferencia de temperatura entre dos puntos y dx la distancia entre esos puntos.
Ejemplo
Vamos a calcular el área necesaria para calentar el agua del interior de un depósito mediante una tubería, sabiendo que el espesor de la tubería de cobre es de dx = 1 mm, la conductividad térmica es k = 380 W/(K·m), la diferencia de temperatura dT = -25 K, y el calor aportado es Q = 475 W.
SOLUCIÓN
A partir de los datos aportados y teniendo en cuenta que se produce una transferencia de calor mediante conducción, aplicamos la ecuación:
Sustituyendo, nos queda:
Despejando, obtenemos:
Actividades
6. Elabore un listado de las situaciones cotidianas en las que se produce la transmisión del calor por conducción.
Aplicación práctica
Tras haber estudiado los mecanismos de transferencia de calor, se toma un descanso y, mientras cocina, se le ocurre la idea de calcular el mecanismo de transferencia de calor que se produce entre la vitrocerámica y la sartén. Calcule la temperatura a la que se están cocinando los alimentos a partir de los datos aportados.
Temperatura vitrocerámica = 105 °C.
Espesor de la sartén = 1 cm.
Radio de la sartén = 10 cm.
k = 50 W / (K·m).
Q = 610 W.
SOLUCIÓN
Al tratarse de una transferencia de calor por conducción, aplicamos la Ley de Fourier:
Sustituyendo, queda:
Despejando la temperatura, queda:
Por lo tanto, en este caso la comida se está cocinando a una temperatura de 101 °C.
4. Resumen
No solo debe tenerse en cuenta la termodinámica para el cálculo de instalaciones o para el diseño de las mismas, sino que la termodinámica está presente en nuestra vida cotidiana. Entendiendo el funcionamiento de las escalas termométricas, somos capaces de convertir medidas térmicas entre las distintas escalas existentes.
Conocer los mecanismos de transferencia de calor y saber calcular el calor transferido por los distintos procesos, nos permite comparar y evaluar la eficiencia de dos sistemas de calefacción, eligiendo el sistema que más nos interese en cada momento.
Ejercicios de repaso y autoevaluación
1. Indique la respuesta correcta.
1 Una tubería no puede constituir un sistema termodinámico.
2 La termodinámica es una rama de la astrología que se basa en el estudio del intercambio de materia y energía, los elementos que conforman el universo.
3 El sistema termodinámico se encuentra aislado del entorno mediante unos límites definidos.
2. ¿Qué clases de sistemas podemos distinguir en termodinámica? Defínalos.
3. ¿Cómo se denomina la situación termodinámica en la que se encuentra un sistema en el momento de estudio?
1 Base.
2 Estado.
3 Proceso.
4 Situación.
4. Las propiedades termodinámicas pueden ser de carácter intensivas y extensivas.
Clasifique las siguientes propiedades.
1 Densidad.
2 Volumen.
3 Temperatura.
4 Presión.
5. ¿A cuántos julios equivale una caloría? ¿Y una atmósfera de presión a cuántos milímetros de mercurio?
6. Complete.
El _______________ es energía que se desplaza de un sistema a otro debido a la diferencia de temperatura entre ambos. Cuando dos _______________ están en contacto el _______________ de ambos tiende a igualarse dando como resultado un _______________.
7. Nombre, al menos, tres escalas termométricas.
8. Explique por qué no es posible encontrar valores negativos en la Escala térmica del SI.
9. ¿Qué fórmula debemos aplicar si queremos convertir la temperatura de la escala Kelvin a la escala Celsius? ¿Y de la escala Fahrenheit a la escala Celsius?
10. ¿Cuáles son los mecanismos de transmisión de calor?
11. ¿Gracias a qué principio enunciado por Ralph H. Fowler fue posible la construcción de los primeros termómetros?
1 El principio de igualdad térmica y equilibrio.
2 El principio de equilibrio entre masas en distintos estados.
3 El principio cero de la termodinámica.
4 El principio de equilibrio entre energías internas de dos sistemas en contacto mediante el mecanismo de transferencia de conducción.
12. ¿Qué mecanismo nos permite transferir el calor de un cuerpo a otro, sin la necesidad de existir un contacto directo entre ambos?
1 Transferencia por conducción.
2 Transferencia por convección.
3 Transferencia por radiación.
4 Las respuestas b. y c. son correctas.
13. Relacione cada ecuación con el mecanismo de transferencia.
| Conducción |  |
| Convección |  |
| Radiación |  |
14. La ecuación que rige el mecanismo de transmisión de calor por conducción recibe el nombre de __________________.
15. Ordene.
Capítulo 2
Combustión y combustibles
1. Introducción
La combustión es el proceso que tiene por objeto liberar la energía que contiene un combustible, como puede ser el carbón, petróleo o la madera en forma de calor. Durante el proceso de combustión el combustible se va consumiendo generando residuos gaseosos o sólidos.
Inicialmente el hombre comenzó a dominar el proceso de combustión (fuego) para calentarse y cocinar los alimentos, hoy en día el proceso de combustión y los combustibles como fuente de energía ocupan un lugar muy destacado en la vida moderna, estando muy presentes en la actividad cotidiana.
El avance de la técnica ha permitido al hombre el estudio de nuevos procesos de combustión, la mejora de la eficiencia del proceso y la utilización de nuevos combustibles (biocombustibles, pellets, etc.).
Para diseñar instalaciones eficientes es necesario conocer los procesos de combustión y los tipos de combustibles, con el fin de seleccionar el proceso más idóneo y que mejor se adapte a la instalación objeto de estudio.
2. Combustión
La combustión se produce a través de un conjunto de reacciones de oxidación que se producen entre dos elementos: el combustible y el comburente. El proceso de reacción que se genera es exotérmico, por lo que libera energía en forma de calor. Para que se dé una reacción de combustión, el combustible debe ser fácilmente oxidable.
2.1. Conceptos básicos de combustión
La combustión se diferencia de otros procesos químicos por la presencia de una llama que produce la oxidación rápida del combustible en forma de deflagraciones, detonaciones y explosiones, pudiendo mantener o no dicha llama estable durante todo el proceso.
Combustión en una caldera
Definición
Oxidación
Reacción química donde un elemento cede electrones a otro. Cuando un elemento químico acepta electrones se produce la reducción, reacción química opuesta a la oxidación. Dichas operaciones son intrínsecas, es decir, cuando una sustancia se oxida, automáticamente se produce la reducción de otra.
La reacción de combustión se realiza a temperaturas muy elevadas en presencia de oxígeno, necesario para la combustión y que debe ser aportado como parte del proceso de combustión.
Actividades
1. Coloque una vela o cerilla sobre una superficie no combustible (un plato de cerámica o vidrio, o sobre una superficie metálica horizontal), encienda la llama y tápelo con un vaso de cristal. Observe qué es lo que ocurre pasados unos minutos. ¿A qué se debe? Describa el fenómeno.
Para que se produzca el fenómeno de la combustión deben darse de manera simultánea tres fenómenos:
1 La existencia de material combustible.
2 La existencia de material comburente.
3 Energía de activación.
Estos tres fenómenos se relacionan entre sí constituyendo el denominado triángulo de combustión, en el que es necesaria la existencia de sus tres vértices para que se lleve a cabo la combustión.
El comburente es el medio en el cual se produce la combustión; el oxígeno es un buen comburente debido a que se trata de una molécula poco reactiva al presentar un doble enlace químico y un carácter fuertemente electronegativo.
En los procesos de combustión normalmente se emplea el aire como comburente, ya que su composición se encuentra formada por un 20% de oxígeno (O2) y un 80% de nitrógeno (N2), salvo en aquellas ocasiones donde, por cuestiones técnicas, sea más interesante el empleo de una atmósfera controlada, como por ejemplo en ciertos procesos de soldadura.
La energía de activación (Ea) es la energía mínima inicial que necesita ser aportada a un sistema para desencadenar una reacción química. Esta inyección de energía vence las fuerzas que repelen los electrones entre dos moléculas muy próximas.
Una vez iniciada la combustión ya no es necesaria la aportación de la energía de activación, de manera que si se mantiene de manera continua y estable la inyección de los reactivos se obtiene un proceso que libera energía en forma de calor y radiación lumínica.
La mayoría de los combustibles, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos, se componen básicamente de carbono (C) e hidrógeno (H), como por ejemplo el gas butano (C4H10) o la gasolina (C8H18), además de otros elementos como el azufre (S).
Actividades
2. Localice en su entorno cotidiano tres procesos de combustión e identifique el combustible, el comburente y la energía de activación.
Poder calorífico
La cantidad de calor que se obtiene de la oxidación completa (combustión), a presión atmosférica, del volumen de los componentes de un combustible se define como poder calorífico (Cp), es decir, el poder calorífico es la cantidad de energía que puede desprender la reacción química entre un combustible y un comburente.
El poder calorífico de un elemento se expresa en kWh/kg, aunque para combustibles líquidos y gaseosos puede emplearse kWh/l y kWh/m3, respectivamente.
En la reacción de combustión, el oxígeno se combina con el hidrógeno formando agua; además, los combustibles pueden presentar humedad en su composición. En función de la cantidad de agua en el humo, se distinguen dos clases de poderes caloríficos:
1 Poder calorífico inferior: se refiere a la cantidad de calor liberado en la oxidación completa del combustible, que puede ser aprovechado y que obtiene como producto vapor de agua. Parte de la energía se pierde durante el proceso evaporando el agua.
2 Poder calorífico superior: es la cantidad de calor que se genera en una reacción de oxidación teniendo como uno de sus productos agua líquida. El poder calorífico superior permite medir la cantidad de calor total producida.
Ejemplo
Se presenta la reacción de combustión:
En esta reacción se combina una molécula de metano (CH4) con otra de oxígeno (O2) para dar como resultado una molécula de dióxido de carbono (CO2) y dos moléculas de agua (H2O), además de calor. Como puede observarse en la combustión, se genera una cantidad de agua importante, por lo que su evaporación resta eficiencia al proceso de generación de calor.
Cuando se emplea madera para generar calor en una chimenea es muy importante que esta contenga una cantidad muy pequeña de humedad para que la combustión sea más eficiente, y también la cantidad de calor resultante sea mayor.
2.2. Tipos de combustión
Podemos clasificar los distintos tipos de combustión atendiendo a la velocidad a la que se realiza el proceso y las proporciones de combustible y comburente empleadas en la reacción.
Cuando se produce una reacción de combustión existe un intervalo de tiempo entre la ignición inicial y la combustión rápido.
Definición
Ignición
Según la RAE, es la acción que inicia o desencadena ciertos procesos físicos o químicos.
La ignición se corresponde con la energía de activación necesaria para el inicio de la combustión, la cual puede provenir de una chispa eléctrica.
Los factores que modifican la velocidad de combustión son:
1 El estado del combustible (líquido, sólido o gaseoso).
2 La humedad del combustible.
3 La cantidad de aire durante la reacción.
4 Otros factores (como el diseño de la cámara de combustión, la presencia de suciedad y elementos no deseados, etc.).
Según la velocidad de reacción de combustión
Las reacciones de combustión se producen a distintas velocidades, pudiendo distinguir entre tres tipos:
1 Combustiones lentas: se llevan a cabo sin la emisión de llamas o luz y generalmente irradian una cantidad de calor muy baja como consecuencia de la baja cantidad de oxígeno existente.
Sabía que...
Las combustiones lentas están catalogadas como muy peligrosas en incendios domésticos, ya que de producirse una repentina entrada de aire (comburente) el fuego se aviva rápidamente, activando el incendio.
2. Combustiones rápidas: generan fuertes emisiones de luz y calor como consecuencia de las combustiones espontáneas que se llevan a cabo en su interior.
3. Combustiones estables: son aquellas en la que la proporción de combustible y comburente se mantiene constante y por tanto su velocidad de combustión a lo largo del ciclo. Las combustiones estables permiten un menor consumo de combustible.
Consejo
La mayoría de los accidentes domésticos se deben al fuego en la cocina. Si el aceite de una sartén comienza su combustión, se recomienda tapar esta, de manera que al privar la reacción de oxígeno esta finalice. Nunca intentar apagar el fuego de una sartén con aceite con agua, ya que se consigue el efecto contrario.
Según las proporciones del combustible y comburente
Diferenciamos tres tipos de combustiones en función de las proporciones de combustible y comburente en la reacción:
1 Combustión incompleta: donde se lleva a cabo una reacción con defecto de oxígeno, al aportarse una cantidad de aire menor a la necesaria para quemar completamente el combustible. Las combustiones con defecto de oxígeno favorecen la formación de monóxido de carbono (CO), altamente tóxico. Además, presentan el inconveniente de generar un exceso de humos y ser poco eficientes, al quedar parte del combustible sin reaccionar. Ejemplo: en el día a día podemos encontrar diferentes situaciones en las que se pueden producir reacciones de combustión incompleta, que pueden llegar a afectar a la salud de las personas. Algunos de estos casos son: la combustión incompleta de un brasero, un calentador de agua o la combustión incompleta que se produce en el motor de un automóvil.
2 Combustión completa: se produce cuando la reacción se realiza con un nivel de oxígeno mayor del necesario, lo que garantiza el máximo grado de oxidación del combustible. Este proceso queda intrínsecamente exento de emisión de sustancias combustibles en los gases de escape. No obstante, en la combustión completa se generan pérdidas de calor, debidas a una mayor eliminación de la cantidad de gases junto con los humos.Gases de escape en una combustión
3 Combustión estequiométrica: este tipo de reacción aporta al proceso la cantidad de aire necesaria (sin exceso, ni defecto) para quemar completamente todo el combustible.
Otras reacciones de combustión
Además de las combustiones estudiadas, existen dos reacciones de combustión muy importantes:
1 Deflagración: es una reacción de combustión a muy alta velocidad, en la que no se produce explosión. Durante el proceso de deflagración, la llama avanza mediante la difusión térmica de la energía. Este fenómeno se produce cuando el combustible es altamente inflamable. Un ejemplo de deflagración sería la combustión del gas butano en la hornilla cuando este es encendido mediante una chispa.
2 Detonación: la detonación ocurre a una velocidad mucho mayor que la deflagración, superando la barrera del sonido y generando una onda de choque. En los procesos de detonación es muy importante el diseño del contenedor de la mezcla para aumentar la potencia de la detonación.
La gasolina es un combustible que a temperatura y presión ambiental su combustión no produce una detonación; en cambio, cuando la gasolina es introducida a presión dentro del cilindro del motor, la combustión de esta genera una explosión de una gran fuerza de empuje. Por tanto, un mismo combustible puede realizar una combustión de deflagración o detonación en función del medio en el que está confinado.
Actividades
3. Clasifique la siguiente lista, según sea deflagración o detonación.
1 Encender una cerilla.
2 La pólvora de un cohete de fuegos artificiales.
3 Encender un calentador de butano.
4 Motor de combustión.
5 Combustión de un barril de gas inflamable.
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.
2.3. Exceso de aire
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 (H2) 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.
2.4. Diagramas de combustión
Los diagramas de combustión se 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 CO2 y 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.
Ejemplo
Mediante el diagrama anterior se va a analizar la clase de combustión que se lleva a cabo en un proceso, que como resultado de la medición se ha obtenido un 7% de CO2 y un 10% de O2.
RESULTADO
Si trazamos dos líneas con los datos aportados, el punto de corte nos indicará qué clase de combustión se está realizando.
En este caso, tenemos:
Como podemos ver en el punto de corte, la combustión se está realizando de forma incompleta con un exceso de aire.
Recuerde
“n” es el coeficiente de aire, donde su valor 1 indica que se realiza una combustión estequiométrica; mientras que en valores mayores de 1 se realizan combustiones con exceso de aire, y para valores inferiores a 1, combustiones con defecto de aire.
Diagrama de Keller
El diagrama de Keller se emplea para combustiones incompletas. En este diagrama, además de aparecer la cantidad de CO producida, también recoge la cantidad de hidrógeno (H2), así como algunos productos inquemados dependiendo del tipo de combustible. Se emplea para el cálculo de combustibles con alto contenido en H2 y cuando el índice de exceso de aire es relativamente bajo.
La forma de proceder al cálculo de una combustión con el diagrama de Keller es similar al proceso descrito en el cálculo del diagrama de Ostwald.
Diagrama de Kissel
El diagrama de Kissel se emplea para combustiones incompletas de gases, como puede ser el butano, el propano o el gas natural. El modo de trabajar con el diagrama de Kissel es similar al de Ostwald o Keller, donde introduciendo los valores de O2 y CO2 podemos obtener el punto de combustión de la mezcla.
Diagrama de Bunte
A diferencia de los diagramas de Ostwald y Keller, el diagrama de Bunte se emplea para procesos de combustión completa donde, gracias a la medición de los productos como el CO2 y el O2, puede obtenerse el grado de exceso de aire que se produce.
El diagrama de Bunte es muy útil a la hora de analizar el proceso de combustión completa, ya que permite identificar las posibles mejoras para conseguir una combustión estequiométrica.
Actividades
4. Según lo estudiado, ¿puede realizarse una combustión completa con defecto de aire? Argumente su respuesta.
Aplicación práctica
Está realizando el análisis de la combustión de una caldera; para establecer unos valores de combustión óptimos en el funcionamiento, debe ajustar la entrada de aire. Ha realizado la medición de los gases de escape y mediante el siguiente diagrama aportado por el fabricante obtiene unos productos de la combustión de 8% CO2 y 10% O2. Indique de qué tipo de combustión se trata y la cantidad de exceso o defecto de aire, así como el porcentaje de CO generado.
SOLUCIÓN
Trazando las rectas, se obtiene el siguiente punto de corte:
En este punto se observa lo siguiente: se trata de una combustión incompleta con exceso de aire donde el coeficiente n = 1,8 y la cantidad de CO producido es de 1%.
3. Combustibles
Los combustibles están constituidos por mezclas o combinaciones de varios elementos, sin embargo elementos que se encuentran en mayor proporción son el carbono y el hidrógeno; en algunos casos el azufre, tiene una presencia importante en la reacción. El carbono en contacto con el oxígeno del aire y el hidrógeno realiza una combustión exotérmica (desprendimiento de calor) que genera calor para ser transformado en muchos casos en trabajo.
El nitrógeno, el agua y las cenizas también forman parte de los elementos que intervienen en la reacción de combustión, siendo su presencia no deseada por causar pérdidas en el rendimiento del proceso.
Los combustibles convencionales pueden clasificarse según su origen (fósil o no fósil), según procedan de fermentaciones, según su utilización (de forma directa o manufacturada), pero su clasificación más importante se debe a su estado, donde pueden ser sólidos, líquidos o gaseosos.
La fase en la que se encuentra el combustible es uno de los factores más importantes a tener en cuenta a la hora de diseñar el proceso de combustión, así como todos los dispositivos necesarios.
3.1. Combustibles sólidos. Tipos de instalaciones: biomasa
Dentro de los combustibles sólidos se puede diferenciar entre naturales, como la biomasa, el carbón o la madera, o artificiales como el coque, el carbón vegetal o los aglomerados, que se obtienen mediante la aplicación de calor sin existencia de aire (piro-generación).
| Clasificación de combustibles sólidos | |||
| Maderas y residuos vegetales | |||
| SÓLIDOS | NATURALES | Carbón | Turbas |
| Lignitos | |||
| Hullas | |||
| Antracita | |||
| ARTIFICIALES | Coques (carbón y petróleo) | ||
| Aglomerados y briquetas | |||
| Carbón vegetal | |||
Sabía que...
El carbón es el combustible sólido más empleado en la actualidad. Además, el carbón se usa como materia prima para la obtención de combustibles líquidos y gaseosos.
Tipos de instalaciones. Biomasa
Los combustibles sólidos se emplean tanto para la obtención de calor como para la transformación de este en energía o trabajo útil. Las instalaciones más usuales para la combustión de elementos sólidos son las calderas. Podemos encontrar los siguientes tipos:
1 Calderas de carbón.
2 Calderas de leña.
3 Calderas de biomasa.
Las calderas para combustibles sólidos presenta la desventaja de la necesidad de limpiar las cenizas producidas, además de la dificultad de controlar el proceso de combustión.
Las calderas y estufas de biomasa son una evolución de las calderas de leña o carbón, que aprovecha los desechos naturales procedentes de actividades agrícolas (hueso de aceituna, cáscara de almendra, desechos de madera, etc.) para generar calor de forma eficiente. El uso de calderas de biomasa se está implantando cada vez más debido al bajo coste del combustible y el buen rendimiento del proceso de combustión.
Estufa de biomasa
Actividades
5. Cite tres ejemplos de instalaciones de su entorno donde se empleen combustibles sólidos como elemento de combustión.
3.2. Combustibles líquidos. Tipos de instalaciones: gasóleo
La mayoría de los combustibles líquidos que se emplean en la actualidad provienen del petróleo, sin embargo también podemos encontrar alcoholes y residuos que pueden ser utilizados como combustibles en algunos procesos.
| Clasificación de combustibles líquidos | ||
| ALCOHOLES | Naturales (fermentación e hidrólisis) | |
| Artificiales | ||
| LÍQUIDOS | RESIDUALES | Lejías negras |
| DERIVADOS DEL PETRÓLEO | Gasóleos | |
| Fuelóleos | ||
Los combustibles líquidos para calderas se caracterizan por la viscosidad, debido a que el combustible debe circular a través de tuberías para ser pulverizado y atomizado en la cámara de combustión, con el objeto de mejorar el rendimiento de la reacción.
En algunos casos se procede a calentar previamente el combustible antes de ser introducido en la cámara de combustión con el objeto de disminuir la viscosidad del mismo, ya que esta es una propiedad física que disminuye conforme aumenta la temperatura.
Tipos de instalaciones. Gasóleo
Para combustiones con líquidos se emplean para diversas instalaciones tanto generadoras de calor, como productoras de energía (movimiento, electricidad).
Sabía que...
Las calderas en edificios a menudo emplean combustibles líquidos por la facilidad de transporte, el bajo peso en relación con combustibles sólidos, por ser más seguros que los combustibles gaseosos y por el reducido tamaño de la cámara de combustión.
En la industria se emplean comúnmente calderas con combustibles líquidos debido a que generan menos residuos sólidos que las calderas de carbón, sin embargo requiere de la utilización de quemadores especiales que vaporicen el combustible para conseguir una mejor mezcla con el aire.
El combustible más empleado en la industria es el gasóleo y el fuel-oil, aunque este último tiene su uso limitado por la normativa vigente y la potencia de la caldera.
El gasóleo puede obtenerse bien por la destilación del petróleo o bien por el tratamiento de diversos aceites vegetales. En España pueden encontrarse los tipos de gasóleos designados con las letras A, B o C. La aplicación de estas letras es para identificar el tipo de impuesto que se aplica en cada uno de ellos.
1 Gasóleo A: soporta el impuesto más alto y su uso es para vehículos.
2 Gasóleo B: está gravado con un impuesto menor, ya que su uso está destinado para su empleo en maquinaria agrícola.
3 Gasóleo C: se emplea en instalaciones de calefacción.
Gasóleo para automóviles
Actividades
6. ¿Por qué cree que en la industria se emplea el gasóleo como combustible líquido y no la gasolina?
3.3. Combustibles gaseosos. Tipos de instalaciones: gas natural y propano
Los combustibles gaseosos pueden provenir de residuos, de fuentes naturales, de tratamientos del petróleo o de fuentes artificiales.
| Clasificación de los gases | ||
| RESIDUALES | Fuel-gas | |
| GASEOSOS | GAS NATURAL | Diferentes familias |
| GASES LICUADOS DEL PETRÓLEO (GLP) | Propanos y butanos | |
| ARTIFICIALES O ELABORADOS | Gas de alto horno | |
| Gas de coque | ||
| Gas pobre | ||
| Gas de agua | ||
| Gas ciudad | ||
| BIOGÁS | ||
Los combustibles gaseosos presentan ventajas sobre los sólidos y líquidos por su facilidad de transporte y almacenamiento, así como el aporte de un mayor poder calorífico, debido a la facilidad de mezclarse con el comburente (aire).
Los gases combustibles naturales provienen de las siguientes familias:
1 Gas natural: se encuentra en yacimientos de petróleo, y está formado por una mezcla de hidrocarburos en la que el elemento con mayor presencia es el metano (CH4).
2 Gases licuados del petróleo (GLP): son gases resultantes de la licuación del petróleo de donde se obtiene gas propano y butano.
El gas Grisú está formado principalmente por metano, por lo que se considera también gas natural; sin embargo, su origen proviene de las bolsas de gas existentes en las minas de hulla.
El gas natural se emplea tanto en instalaciones de calefacción como en instalaciones de generadores de energía. Recientemente los gases combustibles se emplean en instalaciones de cogeneración, donde durante el proceso de generación de energía (electricidad) para una fábrica, se desprende calor que es aprovechado para otros procesos que requieren la aplicación de este. Con la cogeneración se consigue instalaciones más eficientes y un mayor aprovechamiento del combustible.
Actividades
7. Aunque el butano es un gas, este se almacena en forma líquida dentro de bombonas para su uso doméstico. ¿A qué cree que se debe este hecho? Infórmese sobre ello.
Aplicación práctica
Se va a realizar la construcción de una fábrica de yogures donde es necesaria la aportación de calor a diversos procesos de elaboración. Como técnico encargado del diseño de las instalaciones, debe decidir el tipo de combustible que va a emplear en la cadera. El único criterio que debe respetar es el de obtener el mayor rendimiento de la combustión, así como la mejor eficiencia de la instalación.
SOLUCIÓN
Debido a los criterios expuestos, el proceso más eficiente sería emplear calderas de combustibles gaseosos debido a que se produce una mezcla perfecta con el comburente (aire), obteniéndose procesos con mayores rendimientos que para combustibles líquidos o sólidos. Además podría dotar la instalación de un sistema de cogeneración donde poder generar electricidad y calor mediante una caldera de gas, consiguiéndose de este modo una instalación muy eficiente.
Otra ventaja que presenta el empleo de combustibles gaseosos es que no generan residuos en la caldera, como en el caso de emplear combustibles sólidos.
4. Resumen
La combustión es una reacción química donde la mezcla de combustible con comburente produce energía que puede ser aprovechada tanto para calentar como para generar energía.
Los combustibles pueden ser de tipo sólido, líquido o gaseoso, y provenir tanto de fuentes naturales como artificiales; aunque para obtener mayores rendimientos, los combustibles suelen tratarse para mejorar sus características.
Los diagramas de combustión permiten realizar cálculos de combustión de una forma precisa y rápida, por lo que su manejo constituye una herramienta muy útil para el diseñador de instalaciones de calefacción mediante combustibles.
El tipo de combustible a emplear en una instalación debe ser seleccionado conforme a los criterios específicos que debe reunir la instalación, atendiendo a las características técnicas de la misma, buscando siempre la optimización y eficiencia del proceso.
Ejercicios de repaso y autoevaluación
1. Para que se produzca una combustión, se necesita...
1 ... combustible.
2 ... comburente.
3 ... energía de activación.
4 Todas las opciones son correctas.
2. ¿Qué porcentaje de oxígeno y nitrógeno compone el aire?
3. La __________________ es la energía mínima inicial que necesita ser aportada a un sistema para desencadenar una reacción química.
4. Relacione y escriba una relación de combustión con estos elementos.
1 Metano
2 Agua
3 Oxígeno
4 Dióxido de carbono
1 CO2
2 O2
3 CH4
4 H2O
5. Nombre los factores que modifican la velocidad de combustión.
6. Cite tres tipos de combustiones en función de las proporciones de combustible y comburente en la reacción.
7. Complete la oración.
La ____________ es una reacción de combustión a muy alta velocidad, en la que no se produce explosión. Durante el proceso la llama avanza mediante la ___________ de la energía. Este fenómeno se produce cuando el combustible es altamente inflamable.
8. Desde el punto de vista de la eficiencia, se buscan combustiones con...
1 ... defecto de aire.
2 ... el aire necesario.
3 ... exceso de aire.
4 Las respuestas b. y c. son correctas.
9. El “coeficiente de exceso de aire” (n) es la relación entre la cantidad de aire introducida en el proceso de combustión y la necesaria. Un coeficiente de n = 1 indica...
1 ... que se trata de una combustión estequimétrica.
2 ... que se trata de una combustión con exceso de aire.
3 ... que se trata de una combustión con defecto de aire.
4 ... que la combustión ocurre a la presión de 1 atm.
10. Además de las proporciones de CO2 y oxígeno necesarios, ¿qué podemos calcular mediante un diagrama de combustión?
11. La línea que 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, recibe el nombre de...
1 ... línea de tierra.
2 ... línea de combustión.
3 ... línea de aire.
4 ... línea de activación.
12. Rellene la tabla.
Diagrama de Ostwald, Diagrama de Keller, Diagrama de Kissel, Diagrama de Bunte.
| Combustión completa | Combustión incompleta |
13. ¿Qué diagrama se emplea para combustiones incompletas de gases?
¿Y para las combustiones completas?
14. ¿De qué tres fuentes podemos obtener los combustibles líquidos?
15. De las siguientes afirmaciones, indique cuál es verdadera o falsa.
1 El gasóleo C se emplea en instalaciones de calefacción.VerdaderoFalso
2 El gas Grisú está formado principalmente por propano.VerdaderoFalso
3 La cáscara de almendra se emplea como combustible para calderas de biomasa.VerdaderoFalso
Pulsuz fraqment bitdi.
