Fundamentos de la Combustión

Fundamentos de la Combustión

La combustión es una reacción química exotérmica que ocurre entre un combustible y un oxidante, típicamente el oxígeno del aire, resultando en la liberación de energía en forma de calor y luz, acompañada de la formación de productos de combustión como gases y cenizas. Esta reacción se inicia al alcanzar la energía de activación necesaria, que varía según el combustible. Los hidrocarburos, como el petróleo y el gas natural, son los combustibles más utilizados, y su combustión completa produce dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O). Sin embargo, una combustión incompleta puede generar monóxido de carbono (CO) y otros hidrocarburos no quemados. La presencia de impurezas en el combustible, como nitrógeno (N) y azufre (S), puede resultar en la emisión de óxidos de nitrógeno (NOx) y dióxido de azufre (SO2), respectivamente, los cuales contribuyen a problemas ambientales como la lluvia ácida y la contaminación del aire.

Tipos de Combustión y Condiciones para su Efectividad

La combustión se clasifica en función de la velocidad de propagación de la llama en: estacionaria, cuando la velocidad de la llama es constante; detonante, caracterizada por una velocidad supersónica; y deflagrante o explosiva, con una velocidad sub-sónica. Además, se distingue entre combustión estequiométrica o neutra, con la proporción ideal de aire y combustible; combustión incompleta o con defecto de aire, que resulta en la formación de inquemados; y combustión con exceso de aire, que puede reducir la formación de inquemados pero también disminuir la eficiencia térmica si el exceso de aire es excesivo. Para lograr una combustión efectiva, se debe ajustar la cantidad de aire suministrado, manteniendo un equilibrio que minimice la formación de inquemados y maximice la eficiencia energética.

Análisis de Humos y Diagramas de Combustión

El análisis de humos es una herramienta clave para evaluar la eficiencia de la combustión. Se mide la temperatura de los humos y las concentraciones de CO2, CO y O2, y se utilizan diagramas de combustión para interpretar estos datos. El diagrama de Ostwald, por ejemplo, es útil para analizar combustiones incompletas y determinar el grado de combustión y el exceso de aire necesario. Otros diagramas son aplicables a combustiones más limpias, especialmente con combustibles gaseosos, y son fundamentales para ajustar la mezcla aire-combustible con el fin de evitar inquemados y optimizar la eficiencia de la combustión.

El Poder Calorífico y su Importancia en la Combustión

El poder calorífico de un combustible es una medida crítica que indica la cantidad de energía que se puede liberar cuando un combustible se quema completamente. Se distingue entre el poder calorífico superior (PCS), que considera el calor latente de vaporización del agua contenida en los productos de la combustión, y el poder calorífico inferior (PCI), que no lo incluye. El PCI es más utilizado en la práctica, ya que es una medida más representativa de la energía efectivamente aprovechable en condiciones normales de operación, donde los productos de la combustión no se condensan. El conocimiento del poder calorífico es esencial para el diseño y la operación eficiente de equipos de combustión, como calderas y motores de combustión interna.

Rendimiento de la Combustión y Pérdidas Asociadas

El rendimiento de la combustión se refiere a la eficiencia con la que el calor generado por la combustión del combustible se transfiere al medio que se desea calentar. Las pérdidas en la combustión incluyen el calor sensible que se escapa con los humos y los inquemados que contienen energía no aprovechada. Las pérdidas por calor sensible son significativas y dependen de la temperatura y el volumen de los humos. Reducir estas pérdidas es fundamental para mejorar el rendimiento de la combustión y la eficiencia energética de los sistemas de calefacción y motores, lo que se logra optimizando el diseño del sistema de combustión y la operación del equipo.