Quemadores Atmosféricos

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA GRUPO DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL GAS

TECNOLOGÍA DE LA COMBUSTIÓN DE LOS GASES Parte 3 QUEMADORES ATMOSFERICOS DE PREMEZCLA

Por: Andrés Amell Amell A. Ingeniero Mecánico Lorenzo Barraza C. Ingeniero Metalúrgico Elías Gómez M. M. Ingeniero Químico

Medellín, octubre de 1997

(Prohibida (Prohibida la reproducción to tal o p arcial arcial de este documento sin la autorización del autor).

GRUPO DE CIENCIA Y TECNOLOGIA DEL GAS. FACULTAD DE INGENIERIAS. UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA.

4. QUEMADORES ATMOSFERICOS CON LLAMA DE PREMEZCLA. PREMEZCLA . 4.1 QUE ES UN QUEMADOR. Es el órgano que permite realizar la reacción de combustión entre el combustible y el comburente de manera controlada y regulable. Es decir, asegurar la aportación adecuada de ambos para conseguir la potencia calórica especificada, y distribuyendo la zona de reacción (llama) y la circulación de los productos de combustión de modo que se transfiera a la carga de manera eficiente el calor producido. Un quemador debe ser diseñado y construido para que cumpla durante su operación de manera optima y eficiente las siguientes funciones: -La cantidad de combustible gaseoso suministrado ha de ser el adecuado para alcanzar la potencia térmica especificada. -Permitir la regulación de los caudales de aire y gas. -Mezclar homogéneamente el gas y el aire, y conseguir que la mezcla se encuentre dentro de los límites de inflamabilidad. -Garantizar una combustión higiénica, esto es, sin emisión de monóxido de carbono, óxidos nitrosos y sin producción de hollín. -Garantizar la estabilidad de llama, es decir, impedir la ocurrencia de retrollama y desprendimiento de llama. -Encausar el calor generado durante la combustión de tal forma que pueda ser transferido en la mayor cantidad posible a la carga. -Dar a la llama un poder de radiación adecuado. -Dar a la llama las dimensiones apropiadas a las del recinto donde se efectúa la combustión. -Operar de manera silenciosa.

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4.2. CLASIFICACION CLASIFICACION DE LOS QUEMADORES. No existe una clasificación estándar de los quemadores de gas que sea universalmente aceptada. Son diversos los criterios asumidos para presentar una clasificación de estos. estos. A continuación se describen algunos criterios.

4.2.1. SEGÚN LA PRESIÓN DE SUMINISTRO. Desde el punto de vista del orden de magnitud de la presión de suministro del gas combustible, se plantea la siguiente clasificación:

4.2.1.1 Quemadores de muy baja presión presión. Cuando la presión de suministro es menor o igual a 0.1 bar (100 mbar). A esta condición el gas puede tratarse como un fluido incompresible. 4.2.1.2 Quemadores de presión presión intermedia. intermedia. Cuando la presión de suministro es mayor de 0.1 bar y menor que la presión crítica. La presión crítica es la presión a la cual una corriente de gas en expansión alcanza la velocidad del sonido, esta presión es característica de cada gas combustible, la tabla 4.1 presenta valores de presión crítica para diferentes gases. 4.2.1.3 Quemadores de alta alta presión presión. Cuando la presión de suministro es mayor que la presión crítica. Tabla 4.1. Presiones críticas críticas para gases combustibles combustibles Gases

presión crítica relativa (bar)

gas manufacturado

0.876

propano comercial

0.856

butano comercial

0.752

gas natural

0.741

Fuente: referencia 2

En quemadores de presión intermedia y alta presión la corriente de gas no puede ser considerada como fluido incompresible, los efectos de compresibilidad son importantes, esta situación debe considerarse en el cálculo del diámetro de los inyectores como veremos mas adelante, la ecuación para el cálculo del caudal derivado del principio de Bernulli no es aplicable.

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4.2.2. SEGUN EL PUNTO DE MEZCLA. Desde el punto de vista de donde se efectúa la mezcla del gas y el aire se plantea la siguiente clasificación:

4.2.2.1 Quemadores de mezcla previa o premezcla. El gas y el aire primario se mezclan previamente en un mezclador mezclador antes de llegar a la zona de combustión. combustión. El aire secundario se aporta desde la atmósfera a la zona de combustión por difusión. La figura 4.1 muestra muestra un quemador con llama de premezcla. En algunas aplicaciones la premezcla es total y no se requiere de aire secundario. secundario. 4.2.2.2 Quemadores sin mezcla previa o llama de difusión. En estos quemadores el aire y el gas son suministrados separadamente a la zona de combustión. La mezcla mezcla de combustible-oxidante y la combustión son simultáneas. simultáneas. La figura 4.2 presenta un quemador con llama de difusión. Estos quemadores se encuentran principalmente en calderas. La mezcla y la estabilización de la llama es realizada por el siguiente efecto: Como el flujo es turbulento, un disco perforado colocado en el flujo crea pequeñas zonas de recirculación que sostienen la llama, ver figura 4.3.

4.2.3. SEGÚN EL SUMINISTRO DE AIRE. Desde el punto de vista de la alimentación del aire se presenta la siguiente clasificación:

4.2.3.1 Quemadores de aire forzado. El aire es suministrado por medio de un ventilador. Los quemadores asistidos por ventilador generalmente suministran el aire total en la premezcla originando una llama corta, con una combustión higiénica cuando opera con una rata de aire de 1.05 a 1.1. El quemador de aire forzado se aplica en situaciones en las que se requiere un gran exceso de aire en la combustión, o cuando la caída de presión a la salida del quemador es alta, también cuando se requiere garantizar una combustión higiénica. El ventilador es montado a la entrada del vénturi o en el mecanismo mezclador, ver figuras 4.4 y 4.5. La mezcla entre el aire y el gas se puede realizar a través de las siguientes maneras: El gas es inyectado agua abajo, el cual se mezcla con el aire por turbulencia y el ventilador induce la corriente de la mezcla, figura 4.4.

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El aire y el gas son inyectados separadamente a un mecanismo mezclador, figura 4.5.

4.2.3.2 Quemadores de inducción. inducción. En la práctica pueden existir dos situaciones: 4.2.3.2.1 Quemador de aire inducido. El aire atmosférico es arrastrado por la corriente de gas; al expandirse ésta desde el inyector, su velocidad aumenta y la presión decrece, creándose una zona de presión negativa lo que permite la inducción de aire. Ver figura 4.6. 4.2.3.2.2 Quemador de aire inductor. Si existe disponibilidad de aire comprimido para alimentar al quemador, puede ser usado para inducir la corriente de gas, que inicialmente se encuentra a presión atmosférica. Cuando se requieren grandes relaciones másicas de aire combustible, este tipo de quemador garantiza una operación fácil, y pueden alcanzarse variaciones de rata de flujo de 1 a 5 para una relación constante de aire a gas. Para este sistema de inducción no se hace uso de la energía de presión del gas en la línea, usualmente se requiere de un gasto de energía para comprimir el aire. El gas inducido puede estar a una ligera presión diferente a la atmosférica para evitar cualquier infiltración accidental accidental mientras el quemador está está apagado. Este método presenta seguridad que no existe en los quemadores donde el fluido motriz es el gas. En la figura 4.7 se muestra un quemador de aire inductor. También se encuentran quemadores de aire inductor, donde el aire está a alta presión y el gas se introduce en el quemador a la presión que tiene en la línea. Ver figura 4.8.

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4.2.4. SEGÚN PRESIÓN DE TRABAJO CON RESPECTO A LA ATMOSFÉRICA: 4.2.4.1 Quemadores atmosféricos. La combustión tiene lugar en una zona a presión atmosférica. Esta es la situación que se presenta en los quemadores domésticos. 4.2.4.2 Quemadores no atmosféricos. La combustión tiene lugar en cámaras herméticas. Esta situación se presenta en quemadores que funcionan en recintos cerrados donde la presión está por encima o por debajo de la atmosférica. En la práctica la operación y configuración de los quemadores responden a una combinación de las diferentes situaciones descritas, así se pueden encontrar: -Quemador atmosférico, de muy baja presión, llama de premezcla y aire inducido. -Quemador atmosférico, de presión intermedia, llama de premezcla y aire inducido o aire inductor. -Quemador atmosférico, de alta presión, llama de premezcla y aire inducido o aire inductor. -Quemador atmosférico, de muy baja presión, llama de premezcla y aire forzado. -Quemador atmosférico, de presión intermedia, llama de premezcla y aire forzado. -Quemador atmosférico, de alta presión, llama de premezcla y aire forzado. -Quemador atmosférico, de muy baja presión, presión intermedia, alta presión, llama de difusión y aire forzado o inducido. Una de las configuraciones que más aplicaciones domésticas, comerciales e industriales tiene es el quemador atmosférico con llama de premezcla y aire inducido, al que se dedicará este estudio.

4.3. PARAMETROS ATMOSFERICO.

CARACTERISTICOS

DE

UN

QUEMADOR

Las características de funcionamiento de un quemador de gas pueden ser divididas en dos categorías:

a. Las que intervienen antes de la combustión. b. Las que intervienen durante la combustión. 4.3.1. CARACTERÍSTICAS QUE INTERVIENEN ANTES DE LA COMBUSTIÓN:

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4.3.1.1 Potencia térmica del quemador . Es la energía térmica por unidad de tiempo que se obtiene del quemador al reaccionar el combustible con el comburente. La potencia térmica que puede desarrollar un quemador queda definida por: P=QnPC

o

P=mPC’

(4.1)

Donde: Qn: Caudal normal de combustible (0ºC y 1013 mbar) en m 3(n)/h PC : Poder calorífico del combustible por unidad de volumen, en kw.h/m 3(n),

MJ/m3(n), kcal/m3(n)

m: flujo másico de combustible en kg/h. PC’ : Poder calorífico del combustible por unidad de masa, en kw.h/kg, MJ/kg,

kcal/kg Si la potencia del quemador se define con respecto al poder calorífico superior o inferior del combustible se tiene: P = Qn.PCI P = Qn.PCS

Potencia con base en el poder calorífico inferior

→

Potencia con base en el poder calorífico superior

→

El caudal define la potencia de un quemador, cuando este se diseña para un gas específico. Por tanto el caudal de diseño incide en la configuración geométrica de un quemador, a saber, el diámetro del inyector o conducto de alimentación, dimensiones del mezclador y tamaños de orificios en la cabeza del quemador. La regulación de la potencia de un quemador depende de la variación del caudal. Esta situación conduce a definir un parámetro importante en el funcionamiento de un quemador: la flexibilidad de funcionamiento.

4.3.1.2 Potencia específica. Se define como la relación entre la potencia del quemador y el área total de salida de la mezcla aire-combustible en la boquilla del quemador, esto es: (4.2)

P e= P/At P e : potencia especifica en kw/cm 2, kw/mm2

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P : potencia térmica del quemador en kw At : área total de salida de la mezcla aire-gas en la boquilla, en cm 2 o mm2

Como se verá mas adelante, para el diseño y operación óptima de un quemador se deben cumplir relaciones apropiadas entre la potencia específica y la rata de aireación primaria, para tener estabilidad de llama en el rango de flexibilidad y regulación del quemador.

4.3.1.3 Flexibilidad de funcionamiento. Es la relación entre la potencia máxima y mínima a la que puede funcionar correctamente el quemador, esto es, sin que se presente combustión no higiénica, inestabilidad de llama y ruido. 4.3.1.4 Tasa de aireación primaria. Es la relación entre el aire inducido (aire primario) que admite el quemador y el aire teórico. Queda definida por la siguiente expresión: n p=R/Va,

y

(4.3)

R = Qa/Qg

Qa: Caudal de aire primario m3(n)/h Qg: Caudal de gas combustible m3(n)/h Va: Volumen de aire estequiométrico: m3(n) aire/m3(n) gas.

4.3.1.5 Flexibilidad de regulación del quemador. Se define como la relación de las tasas de aireación extremas en las que el quemador funciona correctamente, es decir, combustión higiénica, estabilidad de llama y sin producción de hollín. 4.3.1.6 Eficiencia del quemador. No toda la energía química que lleva el combustible es desarrollada por el quemador. La relación entre el calor desarrollado y el calor que entra almacenado en el gas como energía química define una primera eficiencia, así: η 1 = P q / P

(4.4)

P q: Energía térmica por unidad de tiempo desarrollada por el quemador P : Potencia que entra con el combustible

Al establecer la eficiencia de un quemador debe tenerse en cuenta con respecto a que poder calorífico se define, cuando se hace con respecto al poder calorífico inferior es diferente que cuando se hace con respecto al poder calorífico superior.

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Los principales factores que afectan la eficiencia de un quemador de gas en relación con la situación que se está describiendo son los siguientes: -La tasa de aire primario y el exceso de aire total. -La geometría del quemador. -Las condiciones de entrada de la mezcla gas-aire (presión temperatura y homogenización). -El material del quemador, incide en la adsorción de los transportadores de cadena, pudiéndose inhibir el proceso de combustión, y también puede transmitir rápidamente el calor enfriando la mezcla. -El ambiente donde se realiza la combustión, dado que la presencia de algunos compuestos (CO2 y H2O) reducen el contenido de oxígeno en el aire.

4.3.2. CARACTERISTICAS QUE INTERVIENEN DURANTE LA COMBUSTION. Una vez se ha realizado la mezcla de aire y gas al interior del mezclador, la segunda función del quemador es permitir la combustión del gas en presencia del aire primario y eventualmente de una cantidad de aire complementario proveniente del exterior, en el mismo lugar de la combustión (aire secundario). Las condiciones esenciales para el buen funcionamiento de la llama son: -Tener una estructura y dimensiones bien definidas. -Ser muy estable para prevenir algunos efectos indeseables. -Transmitir eficientemente el calor liberado a la carga.

4.3.2.1 Estructuras y dimensiones de la llama: Estas características son muy importantes puesto que generalmente la llama se desarrolla en un espacio limitado, es necesario que en esas condiciones las llamas conduzcan finalmente a una combustión completa del gas, es decir, que los productos finales de esa combustión no contengan elementos originados de combustiones no completas. 4.3.2.2 Sobre las dimensiones de la llama: Si la sección terminal de un orificio a la salida de la boquilla es circular, la zona donde se efectúa la combustión primaria prácticamente toma la forma de un cono.

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Un parámetro característico del cono es su altura que depende de varios factores: diámetro del orificio, naturaleza del gas, tasa de aireación primaria y temperatura, la figura 4.9. muestra la relación de la altura del cono y la rata de aireación primaria para el gas natural.

4.3.2.3 Transmisión eficiente del calor: La configuración geométrica de los puertos en la boquilla, el material de que están constituidos y la posición de la llama inciden en la transmisión de calor hacia la carga. La relación entre el calor transferido a la carga y el calor liberado durante la combustión del gas define otra eficiencia para el quemador, así: /P q 2 =qc

(4.5)

qc : potencia térmica transferida a la carga P q: potencia térmica utilizable o calor liberado en la unidad de tiempo

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Si se tiene en cuenta la eficiencia definida por la ecuación 4.4, la eficiencia total del quemador queda definida por: η = η 1x η 2 = (P q / P)(qc / P q ) = qc / P

(4.6)

4.4. QUEMADOR ATMOSFERICO CON LLAMA DE PREMEZCLA. 4.4.1. GENERALIDADES. En este tipo de quemador el combustible y el aire primario se mezclan previamente antes de llegar a la zona de combustión. El calificativo de atmosférico se debe a que el aire primario es arrastrado desde la atmósfera por la corriente de gas, y también porque la combustión se realiza a presión atmosférica. El principio de funcionamiento fue desarrollado en 1855 por el químico alemán Robert Bunsen. Dependiendo del tipo de gas, las presiones de suministro en un quemador atmosférico oscilan entre 5 y 50 mbar. Prácticamente los artefactos domésticos, comerciales y algunos industriales emplean quemadores atmosféricos. El quemador atmosférico usa la presión de gas en la línea para aspirar el aire primario que se mezcla con este antes de la zona de combustión, ver figura 4.11. La mezcla de aire y combustible tiene lugar en un penacho constituido por varias capas, ver figura 4.10. La zona interna consiste de la mezcla aire combustible no quemada, la zona externa esta constituida por los productos de combustión; la combustión toma lugar en la zona intermedia. El aire adicional (aire secundario) es transportado desde la atmósfera por difusión a la zona intermedia suministrando el oxígeno requerido para completar la combustión. Para asegurar que un adecuado suministro de aire penetre la capa exterior, se requiere abundante cantidad de aire. Aunque el exceso de aire es necesario para asegurar una combustión completa, es indeseable debido a que absorbe calor y lo transporta a la atmósfera con los productos de combustión. Una fracción de esa pérdida de calor puede ser recuperada incrementando el área de transferencia de calor (lo cual implica incremento de costos) o mejorando los coeficientes de transferencia de calor (lo cual implica costos y dificultades). Muchos artefactos de gas equipados con quemadores atmosféricos operan con un exceso de aire mayor del 40%.

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Además de la emisión de monóxido de carbono como resultado de una combustión incompleta, cuando el nitrógeno está expuesto a radicales de oxígeno (oxígeno reactivo que se forma en el proceso de combustión) a alta temperatura, hay la tendencia a la formación de oxido de nitrógeno.

Temperatura de llama de 1470 ºC y abundancia de radicales de oxígeno hacen del quemador atmosférico un generador de NO x. Es conocido que el CO inhibe la circulación del oxígeno en la sangre y el NO x afecta el sistema respiratorio. Su confiabilidad, al no tener partes móviles; su versatilidad, al poderse obtener muchos patrones de llama; y una combustión generalmente limpia, han hecho del quemador atmosférico un bastión importante para el crecimiento de la industria del gas. Sin embargo, los criterios de diseño para futuros artefactos de gas incluyen altas eficiencias y un mínimo de polución, requerimientos imposibles de lograr con los actuales quemadores atmosféricos.

4.4.2. CONSTITUCION Y FUNCIONAMIENTO. Un quemador atmosférico con llama de premezcla está constituido, por los siguientes elementos: - Inyector - Vénturi: Mecanismo para el arrastre de aire y mezclador - Cabeza - Mecanismos de ignición y seguridad La figura 4.11 muestra la configuración de un quemador atmosférico con llama de premezcla y aire inducido.

4.4.2.1. El inyector desde donde se descarga el gas combustible: El gas al expandirse actúa como fluido inductor, arrastrando el aire primario de la atmósfera. Consiste de una punta cilíndrica perforada concéntricamente en forma de cilindro, cono y conicocilíndrico, ver figura 4.12. El diámetro de salida define la potencia nominal para la cual es diseñado el inyector. La configuración de este incide en su

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eficiencia, ya que ocurren perdidas de energía al paso de la corriente de gas por este y disminución de caudal con respecto al teórico debido al fenómeno de vena contracta. Para el cálculo del diámetro del inyector pueden presentarse las siguientes situaciones: -El gas se suministra al inyector a muy baja presión, hasta 100 mbar. -El gas se suministra al inyector a una presión intermedia, desde 100 mbar hasta la presión crítica. -El gas se suministra a alta presión, mayor que la presión crítica.

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4.4.2.1.1 Muy baja presión: Cuando el gas se suministra a presiones menores de 100 mbar, los efectos de compresibilidad del gas son despreciables (su densidad permanece constante). Esta situación permite la aplicación del principio de Bernulli para analizar el flujo de gas por el inyector. De la aplicación de la ecuación de Bernulli y teniendo en cuenta las correcciones por presión, temperatura y pérdidas de energía, se obtiene la siguiente expresión para el caudal: Qn=CA (

2δ p

)(

Po

1. 293d 101325

)(

273 To

)

(4.7)

Qn: rata de flujo volumétrico en condiciones normales, m 3(n)/s C : coeficiente de descarga del inyector A: área de salida del inyector en m 2

δp: presión relativa de suministro del gas en Pascal Po: presión absoluta del gas en Pascal en el inyector d : densidad relativa del gas To: temperatura absoluta del gas en el inyector (ºK)

El coeficiente C muestra el efecto de contracción del flujo, para diferentes configuraciones geométricas ver figura 4.12.

4.4.2.1.2 Presión intermedia: El flujo másico de gas que descarga el inyector puede ser cuantificado por la siguiente expresión: m=CxA(Pa/Po)1/

( 2 γ ) ( γ − 1)

( Po ρ o)[1 − ( Pa / Po) ( γ −1/ γ ) ]

(4.8)

C: coeficiente de gasto del inyector m: flujo másico de gas A: área de salida del inyector Pa: presión atmosférica si el gas es descargado a la atmósfera, sino será la presión

absoluta a la salida del inyector Po: presión absoluta del gas en el inyector ρ o: densidad del gas en el inyector, f(To, Po) γ= Cp/Cv : relación del calor específico a presión constante a calor específico a

volumen constante del gas.

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La expresión anterior se obtiene al aplicar la primera ley de la termodinámica, considerando la corriente de gas al pasar por el inyector isentrópica, en estado estable y flujo estable, y asumiendo el gas como un gas ideal. Al dividir la ecuación de flujo másico por la densidad del gas en el inyector y efectuar las correcciones por presión y temperatura para expresar el flujo volumétrico en condiciones normales se obtiene: Qn=C x A x(16.44/

dTo ) xPo(1.013/Po)1/γ x

( 2 γ ) ( γ − 1)

[1 − (1. 013 / Po) ( γ −1)/ γ ]

(4.9)

Qn: flujo volumétrico en m 3(n)/hr d: densidad relativa del gas To: temperatura absoluta del gas en el inyector en ºK Po: presión absoluta del gas en el inyector en bares A: área de salida del inyector en mm 2

En aplicaciones prácticas el rango de presiones intermedias, en función de la presión relativa (presión manométrica) en el inyector, esta comprendido entre 0.1a 1.2 bar.

4.4.2.1.3 Muy alta presión: Una corriente de gas que se encuentra en un inyector a presión Po, y se descarga en un medio que se encuentra a una presión Pa, la corriente alcanza condiciones sónicas (la velocidad de la corriente es mayor o igual a la del sonido en el aire) si se cumple: / γ- 1 Po/Pa ≥ [ ( γ+ 1) /2 ] γ

(4.10)

Para esta situación el flujo másico de gas que circula por el inyector se determina por: m=C.A

Po ρoγ ( 2 / γ + 1)

( γ +1) /( γ −1)

(4.11)

ρ o = densidad del gas a las condiciones en el inyector, ρo = f(To, Po)

Para el flujo volumétrico en m 3(n)/hr se obtiene: Qn=Cx16.44/ dTo xKxAxPo

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(4.12)


Po: presión absoluta del gas en el inyector, en bar d: densidad relativa del gas

K= γ [

2 γ + 1

]( γ +1) /(γ −1)

(4.13)

To: temperatura absoluta del gas a las condiciones del inyector en ºK

En la tabla Nº 2, se dan valores para los términos que están en función de γ, que facilitan el manejo de las ecuaciones (4.8), (4.9), (4.10), (4.11) y (4.13) para diferentes gases combustibles.

TABLA Nº 2: valores para combustibles gaseosos. Gas

γ = Cp/Cv

2γ/(γ - 1)

(γ + 1)/2

(γ + 1)/(γ - 1)

Propano

1,13

17,38

1,065

16,38

Butano

1,10

22,0

1,05

21,0

Gas Natural Gas ciudad

1,31 1,33

8,452 8,061

1,155 1,165

7,45 7,06

4.2.2.2. Vénturi: Un vénturi es una tobera convergente-divergente. Como se muestra en la figura 4.11. El chorro de gas descargado desde el inyector fluye hacia la parte convergente, creando una presión negativa que induce el arrastre del aire que se encuentra en los alrededores. La cantidad de aire inducido, aire primario de combustión, es influenciada por la presión de la mezcla aire-gas a la salida del vénturi. La mezcla aire-gas se efectúa en la región divergente del vénturi. La velocidad de inyección del gas es suficiente para crear una presión estática baja en la velocidad de la garganta del vénturi. Esta presión estática baja, como resultado del principio de Bernulli, posibilita una diferencia de presión necesaria para inducir el aire primario desde la atmósfera. El aire primario y el gas continúan a través de la sección divergente del tubo mezclador donde se mezclan uniformemente. En la zona divergente como resultado de la transformacíón de la energía cinética de la corriente en energía de presión, la presión se incrementa, esto permite mantener una presión adecuada en

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la zona de combustión y mejorar la homogenización de la mezcla aire-gas. La figura 4.13, muestra el comportamiento de la presión de la corriente desde la salida en el inyector a la salida en la cabeza del quemador.

-Relaciones flujo másico de gas y flujo másico de aire primario: Despreciando la influencia de las presiones, la fricción en las paredes, algunos fenómenos térmicos, la forma y posición del chorro de gas en relación con el quemador, se puede considerar que la rata de cantidad de movimiento lineal del gas a la salida del inyector se transmite íntegramente al aire en el cuello del inyector, entonces la conservación del momentum lineal permite expresar la siguiente relación: Cantidad del movimiento del gas a la salida del inyector en la unidad de tiempo = Cantidad de movimiento del aire en el cuello del mezclador en la unidad de tiempo: mg V g =maV a mg : flujo másico de gas

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(4.14)


V g : velocidad del gas ma: flujo másico de aire V a: velocidad del aire

Dado que: mg = ρ g Qg

(4.15)

y ma= ρ aQa

(4.16)

ρ g : densidad del gas a las condiciones de salida del inyector ρ a: densidad del aire a las condiciones de entrada en el cuello del mezclador

Qg : flujo volumétrico de gas Qa: flujo volumétrico de aire

Reemplazando

en, se obtiene: ρ g Qg 2 /Ai = ρ aQa2 /Ac

(4.17)

Ai = sección del inyector a la salida Ac = sección del cuello del vénturi

ρ g Ac )( ) ρ a Ai

Qa /Qg = (

(4.18)

Teniendo en cuenta que R = Q a/Qg y np = R/Va ρ g

n p= (

ρ a

)(

Ac Ai

) / Va

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(4.19)


En realidad otros factores propios de los quemadores intervienen, en particular los coeficientes que dependen del inyector y el mezclador, para un análisis aproximado las relaciones anteriores son aplicables. Para evaluar los efectos en el vénturi y en el inyector, y presiones de suministro del gas menores de 100 mbar, se tiene la siguiente expresión: R =

ρ g ρ a

×[

φ c

2

φ i

(1 + K ) C

− 1]

(4.20)

R: Relación caudal de aire a caudal de gas Φc: Φi :

Diámetro del cuello del vénturi

Diámetro a la salida del inyector

C: Coeficiente del inyector K: Coeficiente del vénturi, toma en cuenta la caída de presión en el vénturi y boquillas del quemador, se determina experimentalmente. La rata de aire primario generalmente representa al rededor del 60% de la rata de aire estequiométrico. Cuando la temperatura del cuerpo del mezclador se incrementa la rata de aire primario decrece, situación que se torna crítica cuando el quemador funciona por un largo período de tiempo. La disminución del flujo de aire primario es directamente proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura de la mezcla ( Tmez ). Para evitar este fenómeno, algunos quemadores son provistos de mecanismos para auxiliar el ajuste de la rata de aire. La regulación de la tasa de aire primario de un quemador de inducción atmosférica se efectúa por la reducción de la entrada de aire, permitiéndose de esa manera disponer únicamente de la cantidad de aire estrictamente necesaria. Esto se consigue con un mecanismo ubicado en la entrada al mezclador o próximo a ella. La figura 4.14 muestra varios mecanismos. En quemadores de baja presión, la presión de la mezcla en el mezclador es muy pequeña, esta depende de: presión del gas en el inyector, de la relación aire/gas, de la densidad del gas y de la realación de área de salida a área del cuello en el mezclador, esto es: A max / Ac (ver figura 4.24). Experimentalmente se ha encontrado que al incrementar Amax / Ac, manteniendo constante la rata de aireación primaria, la presión de la mezcla se reduce.

4.2.2.3. Cabeza del quemador: Es la parte del quemador colocada después del mezclador y donde se apoya la boquilla. La boquilla está constituida por una serie

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de puertos u orificios donde llega la mezcla aire y gas para desarrollarse la combustión, cada puerto sostiene una llama pequeña. El tamaño y forma de la cabeza de un quemador debe adaptarse al espacio disponible para la combustión y proveer un adecuado suministro del calor. El número y tamaño de los puertos se determina teniendo en cuenta la potencia térmica que entra al quemador con el combustible y las características de este. La distancia entre los ejes de los orificios debe ser: 2.5 veces el diámetro de estos, si el orificio es circular, sino 2.5 veces la dimensión característica (cualquier forma); al cumplirse esto se evita que aparezcan puntas amarillas, interferencia entre las llamas y deficiencia de oxígeno secundario. Ver figura 4.15 La potencia específica de un quemador es función del área total de la boquilla, esto es, la suma de la sección de los puertos, que pueden tener diferentes configuraciones geométricas: circulares, ranurados, cuadrados, etc, según las aplicaciones. La geometría de los puertos incide en la estabilidad de la llama; para evitar la ocurrencia de retrollama o desprendimiento debe tenerse en cuenta la relación entre: potencia específica y la dimensión característica del puerto (diámetro si es un orificio). Potencias específicas recomendadas con base en el poder calorífico superior son: Gas natural: 1,3 →1,6 kw/cm2 Otros gases: 0,7 → 1 kw/cm 2

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Para evitar una gran caída de presión en la mezcla aire-gas en los puertos, la sección total de la boquilla debe ser 1,5 veces la sección del cuello del vénturi. Para prevenir el desprendimiento de llama, se adicionan mecanismos estabilizadores de llama: llamas pilotos y auto estabilizadores. La llama piloto debido a su baja capacidad, permanece estable, se localiza próximo a la llama principal, que genera un punto caliente que sostiene la llama. El mecanismo de auto estabilización esta basado en llama piloto integrada a la boquilla del quemador, o creando pequeñas áreas de turbulencia. Ver figura 4.16.

4.2.2.4. Mecanismos de ignición. Para iniciar la combustión se requiere una fuente de calor que eleva la temperatura de la mezcla aire-gas a su temperatura de ignición. Los principales mecanismos de ignición son los siguientes. -Llama piloto. Generalmente es una llama de difusión, esto es, el gas a la salida se mezcla con el aire atmosférico, la ausencia de una premezcla parcial, hace de esta llama una fuente de emisión, que sin ventilación, se torna peligrosa. En muchos países por seguridad y consideraciones ambientales ha sido retirada de los artefactos domésticos y comerciales. En algunas aplicaciones es posible tener una llama piloto resultante de una premezcla parcial, sobre todo en aquellos casos donde el piloto desarrolla una función adicional: mecanismos de estabilización de la llama principal, ver figura 4.16.

Ignición por chispa de frecuencia alta y discontinua. Constituido por un generador de corriente de alta frecuencia conectado a una fuente de suministro eléctrico o batería, un ignitor con un electrodo aislado y un botón de accionamiento, ver figura 4.17. Ignición continua de alto voltaje. Usa un transformador (110/220/600V), un conjunto de resistores, usados para limitar la intensidad de la corriente, conectado cada resistor a un ignitor, ver figura 4.18. Ignición piezoeléctrica. Usa la propiedad que tiene un cristal de cuarzo de inducir una diferencia de potencial cuando es sometido a presión.

27


28


L

29


4.2.2.5. Mecanismos de seguridad: Dependiendo de la potencia del quemador y del tipo de artefacto, los mecanismos de seguridad pueden prevenir el flujo de gas sin quemar, el cual puede crear condiciones para una explosión. En el campo de aplicaciones domésticas y colectivas, la seguridad no solo concierne a la falla en la llama, sino también a otros riesgos específicos, tales como: emisión de gases tóxicos por encima de los límites permisibles y calentamiento excesivo del cuerpo del quemador trayendo como consecuencia que la estructura de los artefactos alcancen altas temperaturas principales causas para que se produzca la falla de una llama son las siguientes: -El combustible y el aire no forman una mezcla homogénea. -La fuente de ignición no tiene la energía suficiente para propagar la llama, situación que es frecuente cuando sin tener en cuenta el tipo de quemador, se elige la fuente de ignición. Como regla general se ha encontrado que la potencia mas adecuada para un piloto debe oscilar entre un 5 y 10% del quemador, por debajo de este límite, podrá no propagarse la llama y arriba de él puede influir en el control que se tenga sobre el proceso. -La velocidad del flujo mayor que la velocidad de propagación, lo cual ocasiona desprendimiento de llama, la llama se va alejando de la boquilla hasta extinguirse, y

30


se debe a que el calor generado no es suficiente para calentar las capas superiores. -La velocidad del flujo menor que la velocidad de propagación, ocasionándose el fenómeno de retrollama. -La llama sufre un cambio de condiciones tal que se llegue a enfriar a una temperatura inferior a la de ignición. -La fluctuación súbita o constante de cualquiera de los flujos, ya sea el gas o el aire por separado, o ambos. En el primero y segundo caso, la concentración del punto donde se realiza la combustión sufre un desbalance que puede provocar una disminución de la velocidad de reacción y por lo tanto impedir la propagación de la llama; en el tercer caso, provocará el desprendimiento de la llama si el flujo se incrementa. -El sistema de combustión va acompañado de tiro, permanente o momentáneo, que provocaría de inmediato la inestabilidad de la llama, pudiéndose presentar explosiones. Algunos sistemas de detección de llama y/o su calidad son del siguiente tipo: detección de temperatura, ionización y detección de radiación ultravioleta. En los mecanismos de detección de temperatura se tiene la termocupla que detecta la presencia de la llama, que actúa como electroimán que acciona la válvula de suministro de gas, ver figura 4.19. En los sistemas de ionización un gas muy caliente se ioniza, si se aplica una diferencia de potencial entre dos puntos en el seno de la llama, se inducirá una corriente eléctrica entre los puntos. Si la llama falla la corriente no fluirá, ver figura 4.20. Todas las llamas emiten una pequeña cantidad de radiación ultravioleta. Los sensores de ultravioleta (UV) que son insensibles a la radiación visible e infrarroja, en ellos no existe la posibilidad de que sigan activados por otras causas al extinguirse la llama.

4.4.3. PARAMETROS DE DISEÑO: El diseño de un quemador debe cumplir con determinadas condiciones para lograr una llama estable en el rango de potencia en el que trabajará este. Los parámetros de diseño de un quemador resultan de considerar por un lado, algunos parámetros característicos de funcionamiento, y por otro lado, información empírica que se obtiene de la experimentación y evaluación del funcionamiento de los quemadores.

31


4.4.3.1. Información requerida para el diseño de un quemador Se requiere conocer la siguiente información para diseñar un quemador:

32


4.4.3.1.1 Composición química del gas. Para estimar las propiedades que inciden en el diseño como son: la densidad relativa, la velocidad de propagación de la llama y el poder calorífico, es necesario conocer la composición química. También es importante para la selección de los materiales de construcción del quemador. 4.4.3.1.2 Potencia térmica del quemador y poder calorífico del gas. Información necesaria para estimar el caudal normal de gas que garantice la potencia térmica de diseño. La ecuación 4.1 permite calcular el caudal normal de diseño, que debe ser corregido por condiciones de presión y temperatura en el inyector. 4.4.3.1.3 Presión relativa de suministro de gas. Como se ha estudiado, el caudal de gas descargado por un inyector depende de la naturaleza del flujo, esto es, si es incompresible o compresible, y la naturaleza del flujo depende de la presión de suministro. Por lo tanto esta define cual es la ecuación de caudal (4.7, 4.9 y 4.12) a aplicar para el cálculo del inyector. 4.4.3.1.4 Presión atmosférica y temperatura del gas en el inyector. Esta información es necesaria para corregir el caudal de gas de diseño. 4.4.3.1.5 Rata de aireación primaria. La rata de aireación primaria que se asume para el diseño del quemador está relacionada directamente con la potencia específica, las dimensiones de la boquilla del quemador y las características del gas, de tal forma que se garantice la estabilidad de la llama. Esta información se obtiene experimentalmente, al respecto importantes investigaciones han desarrollado Gaz de France y American Gas Association (AGA). Las figuras 4.21. y 4.22. para gas natural y propano respectivamente, muestran los resultados experimentales obtenidos por los franceses H. Grumer y R. Morillon, al estudiar la relación entre la potencia específica, régimen de flujo (laminar o turbulento), diámetro del puerto y rata de aireación primaria y su incidencia en la estabilidad de llama. Para un quemador constituido por un puerto de diámetro D en mm domésticos se recomienda una rata de aireación primaria entre 0.5 y 0.6, para quemadores industriales debe tender a 1.

4.4.3.1.6 Volumen estequiométrico de aire por m3(n) de gas (Va).

33


Conocida la rata de aireación primaria para la cual se diseña el quemador y V a , se puede determinar la relación del caudal de aire al caudal de gas (R), necesario para obtener la potencia térmica especificada. Al determinarse np R y Va el caudal de aire primario que debe inducir la corriente de gas, puede calcularse así: n p = R/V a →

n p = (Qa /Qg )/V a

(4.21)

→Qa=n pV a.Qg

El caudal de la mezcla aire-gas que fluirá por el mezclador para posteriormente distribuirse por los puertos en la cabeza del quemador queda definido por: Qm=Qa+Qg

(4.22)

4.4.3.1.7 Velocidad de propagación de la llama. Como se ha estudiado (2.5.1.1) la velocidad de propagación de la llama incide en la estabilidad de la misma. Al determinarse la velocidad de la mezcla aire-gas a la salida de cada puerto, cuya magnitud depende del caudal de la mezcla y del área del puerto , se compara con la velocidad de propagación de la llama y debe cumplirse que: 2V ll ≤ V m ≤ 5V 1l

(4.23)

Teóricamente se acepta para garantizar estabilidad de llama que la velocidad V m igual a V ll , pero existen otros factores incidentes, por ello un criterio seguro es trabajar con la condición V m mayor de acuerdo la ecuación 4.23. Si para un determinado caudal de la mezcla aire-gas y un área dada del puerto se obtiene V m menor que V ll , hay que redefinir el área del puerto tal que se cumpla V m mayor o igual a V ll . La figura 4.23 muestra la velocidad de propagación para diferentes gases en función de la rata de aireación primaria.

4.4.3.1.8 Diámetro de enfriamiento de la mezcla aire-gas. Es el diámetro mínimo al cual la llama se puede propagar, depende de la composición de la mezcla aire-gas y del material del puerto. Para un diámetro menor que el diámetro

34


de enfriamiento la llama no se propagará y se estaría en un régimen de inestabilidad de llama o extinción de ésta.

35


36


Debido a lo antedicho el diámetro de diseño del puerto debe ser mayor que el diámetro de enfriamiento de la mezcla aire-gas, esto es: d>de

(4.24)

La tabla 4.3 da información sobre el diámetro crítico para los diferentes gases:

Tabla 4.3: Diámetro de enfriamiento para llamas estequiométricas a una atm. y temperatura ambiente: Mezcla

de (mm)

H 2 − O 2

0. 3

CH 4 − O 2

0. 46

C2 H 4 − O2

0. 3

C2 H 2 − O2

0.15

C 3 H 8 − O2

0. 4

H 2 − aire

0. 9

CH 4 − aire

3. 9

C 2 H 4 − aire

1.9

C 2 H 2 − aire

0.8

C 3 H 8 − aire

3. 2

C 6 H 6 − aire

2. 9

i − C 8 H 18 − aire

4. 0

4.4.3.2 Dimensionamiento de un quemador atmosférico de premezcla. El dimensionamiento se hace teniendo en cuenta unas magnitudes básicas y otras derivadas de las primeras, que se establecen de resultados experimentales para alcanzar condiciones óptimas de operación. La figura 4.24 muestra los parámetros geométricos necesarios para dimensionar un quemador de este tipo. Las dimensiones básicas tienen que ver con aquellos parámetros geométricos que definen características de funcionamiento como la potencia, la potencia específica y la rata de aireación primaria, estas dimensiones son las siguientes:

37


4.4.3.2.1 Diámetro del inyector. El diámetro del inyector ha de calcularse para satisfacer la potencia nominal del quemador. Su magnitud permite dimensionar al inyector, para lo cual debe tenerse cuidado de definir configuraciones geométricas que garanticen un alto coeficiente de gasto del inyector, ver figura 4.15. Conocidos el caudal para una determinada potencia, la presión de suministro del gas, la temperatura del gas en el inyector y la presión atmosférica del sitio donde funcionará el inyector, el diámetro de éste puede ser calculado mediante la aplicación de las ecuaciones 4.7, 4.9 y 4.12, dependiendo de la presión de suministro.

4.4.3.2.2 Diámetro del cuello del vénturi. Ha de calcularse para satisfacer la relación aire-gas (R) a la que funcionará el quemador de acuerdo a la potencia nominal y rata de aireación primaria especificada. Si el quemador funciona libre de contrapresiones en la zona de combustión y las presiones de suministro del gas son menores de 100 mbar., el diámetro del cuello del vénturi se obtiene aplicando las ecuaciones 4.18 y 4.20, ésto es:

38


dc = di ( Qa / Qg )( ρa / ρg ) / β

(4.25)

β: Constante que evalúa las pérdidas de gasto y presión en el inyector y mezclador respectivamente. Resultados experimentales asignan un valor a β ≤ a 1.

Si se evaluán las pérdidas de energía en el inyector y mezclador se aplica: dc = di (1 + R / ρg / ρ a ) / 2 / (1 + K ). c

(4.26)

Donde K y c son los coeficientes de pérdidas en el mezclador e inyector respectivamente.

4.4.3.2.3 Area total de salida de la mezcla aire-gas (At) en la cabeza del quemador. Con la potencia de diseño y la potencia específica asumida, de acuerdo a resultados experimentales se obtiene el área total así: Pe = P / At → At = P / Pe

(4.27)

4.4.2.2.4 Diámetro de cada puerto o diámetro hidráulico si no es una sección circular. Para garantizar una mayor difusión del aire secundario a la llama, una distribución uniforme del calor a la carga y estabilidad de llama, el área total de salida se distribuye en secciones menores, entonces: n

At =

∑ Ai = NAi

(4.28)

i =1

Ai = área del i-ésimo orificio N = número de orificios Para determinar Ai se asume un diámetro que cumpla con las siguientes condiciones: -Φ ≥ Φ crítico de la mezcla. -Estabilidad de la llama: Una ayuda para asumir Φ son los resultados experimentales para el gas natural y propano presentados en la figuras 4.21 y 4.22. Es recomendable disponer en Colombia de estos resultados para los gases que utilizaremos, debido a que, como ya se ha estudiado estos resultados dependen de la composición de los gases. Definiendo el diámetro del puerto, el área de cada orificio se calcula por: Ai = πφ 2 / 4

39

(4.29)


El número de orificios en los que distribuirá la mezcla aire-gas, se determina de la ecuación 4.28, así: N = At / Ai

(4.30)

Para analizar la incidencia de la velocidad de salida de la mezcla aire-gas de cada puerto, al establecer el área Ai, se procede así: Si se supone una distribución uniforme del caudal total de la mezcla aire-gas ( Qm), se tiene que el caudal por cada puerto es: Qi = Qm / N

(4.31)

La velocidad de salida por cada orificio es: Qi = Vi . Ai → Vi = Qi / Ai

(4.32)

En el caso real esta velocidad debe corregirse para tener en cuenta los efectos de fricción, contracción y temperatura puesto que la mezcla en esta zona no es fresca. De acuerdo a lo discutido anteriormente debe cumplirse que:

(4.33)

Vi ≥ Vll

Resumiendo, se tienen como magnitudes básicas para el dimensionamiento de un quemador atmosférico con llama de premezcla, aire inducido y presión de suministro del gas menor de 100 mbar. y sin contrapresión en la cabeza del quemador, las siguientes: -Diámetro del inyector (di) -Diámetro del cuello del vénturi (dc) -Área total de salida de la mezcla aire-gas (At) -Área de cada puerto (Ai) -Número de orificios (N) Además de los detalles de construcción y selección de los materiales, para lograr la configuración mostrada en la figura 4.24, se requieren conocer las dimensiones que a continuación se enlistan, muchas de ellas derivadas de las dimensiones básicas y recomendaciones obtenidas de resultados experimentales.

40


Dmax: Diámetro del mezclador As: Area de salida de la mezcla Dl: Diámetro de la cabeza del quemador Ac: Area del cuello del vénturi Lc: Longitud del tramo convergente Le: Distancia entre ejes de orificios contiguos Li: Distancia del cuello al inyector Ld: Longitud del tramo divergente De: Diámetro de la sección de entrada del aire l : Distancia entre paredes de orificios li: Distancia entre el inyector y la sección de entrada del aire

41


Para estas dimensiones se recomiendan las siguientes relaciones:

Lc = 2.2Dc

(4.34)

Ld = (6 −12) Dc,→ promedio ..9Dc

(4.35)

Li = (2.2Dc+15),.. en..mm.

(4.36)

De= (1. 5− 2.5)dc

(4.37)

As = (1.7 − 2.2) Ac

(4.38)

Le = 2.5φ

(4.39)

l = 15 . φ

(4.40)

h = 2φ

(4.41)

Donde h es la profundidad de los orificios y

Φ el

diámetro de cada puerto.

(4.42)

D1 = N φ + Nl

Insistimos en que estas relaciones han sido obtenidas después de profundos estudios teóricos y experimentales, que en algunos casos parcialmente hemos analizado. Al respecto los trabajos realizados por el Centre d` Essais et de Recherches Sur les Utilisations du Gaz (CERUG) de Gaz de France, son abundantes. La figura 4.25 muestra otra configuración de quemador atmosférico con llama de premezcla y condiciones para su dimensionamiento.

42


Teniendo en cuenta que la condiciones atmosféricas donde opera el quemador ( presión, temperatura y humedad relativa) y los materiales de construcción, inciden en el diseño y operación óptima de un quemador, las relaciones para el dimensionamiento descritas aquí deben tomarse como indicativas. Para un diseño acabado deben desarrollarse prototipos experimentales que den información complementaria, para lograr un quemador óptimo.

4.4.4 OPERACIÓN ÓPTIMA DE UN QUEMADOR. Un quemador operado en condiciones óptimas, es aquel donde la rata de aire ha sido ajustada correctamente tal que la combustión sea completa y la rata de flujo de gas se elige para que no se presenten fenómenos indeseables y el combustible libere eficientemente la energía térmica almacenada.

43


Por fenómenos indeseables durante la operación de un quemador se entenderá: -El desprendimiento de llama -La retrollama -Emisiones de Monóxido de Carbono y Oxidos Nitrosos por encima de los límites permisibles -Presencia de puntas amarillas y producción de hollín. -Excesivo nivel de ruido. -Obstrucción por material particulado (en el inyector, mezclador y puertos de la boquilla) y corrosión.

4.4.4.1 Curva límite para la operación de un quemador. La experiencia muestra el hecho de que al variar el caudal de aire y el caudal de gas en un quemador, el comportamiento de éste se puede representar en un gráfico como el mostrado en la figura 4.26. En este gráfico, la abscisa representa la tasa de aireación primaria y la ordenada la potencia térmica. En la figura se observan cuatro curvas límites relacionadas con la presencia de fenómenos indeseables:

A: Define el límite para la ocurrencia del desprendimiento de llama. B: Define el límite para la ocurrencia de retrollama. C: Límite de emisión de CO por encima de los niveles permisibles. D: Límite de puntas amarillas.

44


45


Una explicación del porqué aparecen los fenómenos señalados es la siguiente: -Debido a una deficiente tasa de aireación primaria o a un exceso de combustible aparencen puntas amarillas. La formación de partículas de carbono en el interior de la llama están sometidas a altas temperaturas, por lo que llevadas a la incandescencia dan la coloración amarilla de la llama. Si estas partículas no reciben el oxígeno necesario para su combustión antes que su temperatura sea demasiado baja, se escapan de la llama pudiéndose depositar en el cuerpo de los recipientes al entrar en contacto con superficies frías, esto se conoce con el nombre de formación de hollín. -Debido a una tasa de aireación primaria elevada y sobre todo a grandes potencias la llama se desprende del quemador. Esto se explica por el hecho de que al elevarse la rata de aireación primaria y el caudal de gas, la velocidad de la mezcla a la salida de los puertos del quemador se incrementa, además de la incidencia que tienen la transmisión de la combustión y la transferencia de calor desde la llama, la tendencia al desprendimiento de llama se puede reducir al incrementar los orificios a la salida, al incrementar el espesor de las paredes y al reducir el espaciamiento entre los puertos. -Debido a grandes potencias pero sobre todo a una deficiente tasa de aireación primaria, el monóxido de carbono aparece en los productos de combustión. Este gas produce toxicidad. La intoxicación por CO consiste en la transformación de la hemoglobina de la sangre en Carbo-oxihemogobina inhibiéndose la circulación del oxígeno en la sangre. -Para ciertos quemadores y algunos gases, una potencia reducida provocará retrollama hacia el inyector del quemador, debido a factores dinámicos (la velocidad del flujo de la mezcla aire-gas decrece y la velocidad de propagación de la llama aumenta), a la transmisión de la combustión, a la transferencia de calor y factores geométricos, Una pared fría inhibe el fenómeno de combustión, según lo estudiado en los mecanismos de la combustión. La retrollama ocurre cuando el diámetro del puerto en la boquilla del quemador es mayor que el diámetro crítico, al incrementarse el arrea de transferencia de calor y por tanto el flujo de calor desde la llama a la pared del orificio. Si el diámetro es menor que el crítico la llama también puede calentar la pared del puerto e inducir la retrollama, por ello se define un diámetro seguro en relación al diámetro crítico, ver tabla 4.4.

46


Tabla 4.4. Diámetro límite y diámetro de seguridad: Mezcla aire-gas

diámetro límite (mm)

Hidrógeno Monóxido de carbono Metano Propano

1 2 3.3 3.4

diámetro de seguridad (mm) 0.28 0.56 0.93 0.96

Entre los cuatro límites señalados en la figura 4.26. se presenta una zona de operación óptima del quemador en la cual no ocurren los fenómenos indeseables anteriormente mencionados. El diseño de un quemador para un funcionamiento óptimo debe precisar el rango de flexibilidad y regulación, por ello en el desarrollo de prototipos de prueba deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: -Las potencias máximas y mínimas compatibles para un buen funcionamiento. -El rango de variación de la tasa de aireación primaria compatible para un buen funcionamiento. -Las posibles fluctuaciones en las características del gas.

4.4.4.2 Relaciones de interés para el análisis de los parámetros del ajuste del quemador. En las relaciones que a continuación se desarrollaran se tiene que: P: W: p: d: n: di: Qn: Va:

potencia desarrollada por el quemador índice Wobbe presión de suministro del fluido inductor densidad relativa del gas rata de aireación primaria diámetro del inyector caudal normal de gas volumen de aire estequiométrico

Como se ha señalado hay dos tipos de parámetro para el ajuste de un quemador: el ajuste de los flujos de gas y de aire. Teniendo en cuenta las ecuaciones 4.1 y 4.7 y la definición del número de Wobbe, sin entrar en mayores detalles, se puede establecer que la potencia térmica del quemador, con una presión de suministro del gas p (relativa) es: P = Qn. PCS → Qn = f W = PCS /

(

d → P = k 1.W p

47

)

p/d

(4.43)


Con base en la ecuación 4.43, si se mantiene la presión de suministro del gas al quemador igual, y se cambia la composición del gas se concluye lo siguiente: p = k 1. P1 / W 1 = P 2 k 1 / W 2

(4.44)

→ P 2 / P1 = W 2 / W 1

También de la ecuación 4.43, si se cambia la composición del gas y se requiere mantener constante la potencia del quemador, la presión de suministro del gas sustituto es: P = k 1.W 1 p 1 = k 1.W 2 p2

→ p 2 / p1 = (W 1 / W 2)

2

(4.45)

El ajuste del suministro de aire en un quemador atmosférico es basado en el factor de exceso de aire o rata de aireación, definida por: n = R / Va

De acuerdo a la ecuación 4.19, y para un mismo quemador sin cambio de inyector se tiene: n = k 2 d / Va → k 2 = ( dc / di )

(4.46)

El aire teórico, Va, para los combustibles gaseosos es prácticamente proporcional al poder calorífico, entonces: Va = C '. PCS → Va = CW d

(4.47)

C' = Constante de proporcionalidad.

Teniendo en cuenta las ecuaciones 4.46 y 4.47, para un quemador donde se cambia de un gas con un índice de Wobbe W 1 y rata de aireación primaria n 1, a otro gas con índice de Wobbe W 2 y rata de aireación primaria n 2 y manteniendo constante la presión de suministro, se cumple: n = k 2 d / Va → n = k 2 d / C.W d n = k ' 2 / W → n1W 1 = n 2W 2

→ n 2 / n1 = W 1 / W 2

48

(4.48)


De las ecuaciones 4.44 y 4.48, el índice de Wobbe permite analizar las variaciones de potencia y tasa de aireación primaria de un quemador cuando la composición del gas varía. Para un quemador en el que el gas de suministro siempre es el mismo y la presión de suministro permanece constante, para variar la potencia del quemador hay que cambiar el inyector, entonces se cumple:

(

2

)

P = k 3. di → k 3 = f W , p / d

(4.49)

→ P1 / di 1 = P 2 / d i 2 2

2

2

2

P 2 / P1 = di 2 / di1

Otras relaciones de interés son las siguientes: Aplicando la ecuación de caudal 4.7, en un quemador donde el gas de suministro no se cambia, la temperatura del gas en el inyector permanece constante, al variar la presión de suministro se cumple: Qn1 = k

p1 → Qn 2 = k

(

p2

)

k = f di , d , C , T o / T

→ ( Qn 2 / Qn1) 2 = p 2 / p1

(4.50)

Aplicando la ecuación 4.7 en un quemador ( inyector constante) en el que el gas de suministro se cambia, la temperatura del gas en el inyector permanece constante y la presión de suministro permanece constante, entonces se cumple: Qn1 = k 1 / d 1 → Qn2 = k 1 / d 2

(

k = f di ,

)

p , C , To / T

(4.51)

→ (Qn 2 / Qn1) 2 = d 1 / d 2

Aplicando la ecuación 4.7, en un quemador (inyector constante) en el que la presión y el gas de suministro se cambian, si la temperatura del gas en el inyector permanece constante, el lector puede demostrar que: ( Qn 2 / Qn1) 2 = p 2. d 1 / p1. d 2

(4.52)

4.4.4.3 El cambio de gas y la curva de operación de un quemador: La curva límite de operación de un quemador también permite analizar el comportamiento del quemador al operarlo con otro gas, situación muy frecuente en aquellos países donde el gas distribuido puede variar de composición o sustituirse

49


por otro en un determinado período (horas del día, mes, etc.). La figura 4.26 representa la curva de operación de un quemador que opera con gas Lacq, es un gas natural utilizado en Francia con una composición similar al gas de los yacimientos del norte del Colombia. Para ilustrar la importancia de la curva de operación al analizar la factibilidad de sustituir un gas por otro, se desarrolla el siguiente ejemplo: Se tienen los siguientes tipos de gas natural: -Lacq: PCS = 11.3 Kwh/m3 (n). W=15 Kwh/m3 (n). -Groningen: PCS = 10.1 Kwh/m3 (n). W = 12.6 Kwh/m3 (n). De la figura 4.26 para el gas Lacq, el punto de operación, p, corresponde a una rata de aireación primaria np= 0.7 y P = 1Kw, entonces: Puede este quemador operar con gas de Groningen sin hacer ningún cambio para obtener la misma potencia?. Si no, qué se debe hacer? Al cambiar de gas Lacq a gas Griningen, manteniendo la misma presión de suministro (18mbar) y el mismo inyector, se puede aplicar: P 1 / P2 = W 1 / W 2

Donde: 1 = Lacq 2 = Groningen. P2 = (12.6/15) x 1Kw = 0.84 Kw Esto significa que para las condiciones dadas el quemador, al operar con gas de Groningen, desarrollará una potencia de 0.84 Kw. La rata de aireación primaria, al operar el quemador con el gas de Groningen, se obtiene: n1 / n 2 = W 2 / W 1 → n 2 = (W 1 / W 2). n 1

n2 = (15/12.6) x 0.7 = 0.83

50


De la figura 4.26. el punto de operación del quemador, con el gas Groningen, es ahora p'(n2 = 0.83 y P 2 = 0.84 Kw), situado muy próximo a la curva límite de desprendimiento de llama y con una reducción de portencia de 17 %, condición de operación que no es óptima. Para restituir la potencia de 1 Kw, operando el quemador con gas de Groningen, se puede aumentar la presión de suministro, sin modificar el inyector. En estas condiciones se puede aplicar: p1 / p 2 = (W 2 / W 1)

2

p2 = 15 / (12.6) 2 x 18 = 25.5 mbar. En estas condiciones ( n 2 = 0.83, P 2 = 1Kw, p2 = 25.5 mbar) el punto de operación es p", situado en la región de desprendimiento de llama, situación no recomendable. se concluye entonces de que es imposible cambiar el gas sin hacer ningún cambio. Para alcanzar el punto p al operar el quemador con gas de Groningen, las soluciones son: -Suministrar el gas a 25.5 mbar. y ajustar la rata de aireación primaria, en la figura 4.26. esto es, moverse desde p" a p. Aquí no hay necesidad de introducir modificaciones geométricas en el quemador. -La otra solución es moverse desde p' a p, lo cual implica cambiar el diámetro del inyector e incrementar el diámetro de los puertos en la cabeza del quemador. Solución que resulta mas complicada que la primera.

51


4.4.5 MECANISMOS DE CONTROL. En términos generales el control de un sistema de combustión está relacionado con dos aspectos diferentes. El primer aspecto tiene que ver con asegurar el correcto funcionamiento del proceso, a saber: -Que el calor desarrollado sea el adecuado, esto se consigue controlando el caudal de gas. -Que la relación aire- combustible se mantenga dentro de los límites prefijados. -Que la presión del hogar o cámara de combustión se mantenga dentro del margen especificado. -El control de la producción de contaminantes (CO y NOx). El segundo aspecto tiene que ver con la seguridad, principalmente referido al control de la formación de mezclas explosivas, resultado de fugas o falla de la llama. como ya se estudió en el numeral de los Mecanismos de seguridad.

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Quemadores Atmosféricos

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