Cálculo de la combustión
Una vez que se ha determinado la operación a que debe someterse un material en un proceso industrial de combustión, como puede ser el que se produce en un horno, para que se cumplan las transformaciones buscadas, se puede calcular la cantidad de calor que es necesario suministrar al proceso para lograr resultados satisfactorios.
A esa cantidad de calor se la denomina calor teórico (Qₜ).
Del calor que se le suministra al horno, una buena cantidad es consumida por radiación, combustión imperfecta, calentamiento previo del horno, etc.
Por tal motivo, el calor efectivo, o sea, el calor que se le debe suministrar efectivamente al horno es mayor que el calor teórico.
Cálculo del calor teórico
Para los materiales, el calor teórico se obtiene considerando los siguientes factores:
1) Calor de calentamiento (Q)
Es el calor necesario para llevar el material de la temperatura inicial (t₀) a la temperatura de proceso (t).
La temperatura deseada puede ser la necesaria para que se cumplan las transformaciones buscadas o aquella temperatura en la cual se puedan cumplir otras etapas de elaboración fuera del horno.
Q = m·cₘ·(t - t₀) (1)
Donde:
m: masa del material.
cₘ: calor específico medio del material entre las temperaturas t y t₀.
2) Calor de vaporización del agua (Qᵥ)
Es la cantidad de calor necesaria para evaporar el agua contenida en el material.
Qᵥ = m·PA·637 (2)
m: masa del material.
PA: masa de agua por kg de material.
637: calorías necesarias para evaporar 1 kg de agua.
3) Calor de transformación (Qₜᵣ)
Es la cantidad de calor necesaria para que se realicen las transformaciones buscadas en el material, una vez que éste se halla a la temperatura necesaria para que esas transformaciones se produzcan.
Las transformaciones pueden ser variadas: fusión, vaporización, oxidación, reducción, etc., del material.
Por ejemplo, si lo que se busca es la fusión de un material, el calor de transformación coincide con el calor de fusión.
El calor de fusión es la cantidad de calor absorbida por un gramo de masa de material, para fundir, cuando ya se halla a la temperatura de fusión.
El calor teórico por suministrar se obtiene sumando algebraicamente las cantidades de calor (1), (2) y (3):
Qₜ = Q + Qᵥ + Qₜᵣ
Pérdida de calor
Las pérdidas de calor que se pueden verificar en un horno son las siguientes:
1) Pérdidas por gases no quemados.
2) Pérdidas por calentamiento del horno.
3) Pérdidas a través de la estructura del horno.
4) Pérdidas en el cenicero.
5) Pérdidas a través del conducto de humos.
6) Pérdida por enfriamiento de gas.
Algunas de estas pérdidas son evitables o en parte atenuables; otras, como la pérdida en el conducto de humos, no se pueden eliminar totalmente.
Rendimiento
El rendimiento de un horno es la relación entre la cantidad de calorías utilizadas en la operación del horno y la cantidad de calorías suministradas al horno.
Si llamamos Qₑ, a la cantidad de calorías empleadas por el horno y Qₛ, a la cantidad de calorías suministradas al horno, el rendimiento de éste es:
| r = | Qₑ |
| Qₛ |
El calor que el horno ha empleado más el calor que ha perdido es igual a la cantidad de calor suministrado.
Qₛ = Qₑ + Qₚ
Balance térmico en un proceso de combustión
El balance térmico en un proceso de combustión es un cálculo en el cual se deben considerar el calor suministrado, las pérdidas de calor y el calor efectivamente utilizado.
El balance térmico puede ser calculado para un horno que ya trabaja (balance de consumo) o, para un horno que se está programando (balance de diseño).
En el primer caso el calor suministrado se calcula en base al combustible consumido por hora.
La diferencia entre el calor suministrado y el total del calor perdido da por resultado el calor utilizado.
El calor suministrado, el utilizado (Qᵤ) y las pérdidas se expresan en kcal/h.
Ejemplo:
En un horno operativo que funciona a hulla (7,5 kcal/kg), con un consumo de 110 kg/h, el balance térmico es el siguiente:
Qₛ = 7,5 kcal/kg·110 kg/h
Qₛ = 825 kcal/h
Pérdidas de calor
| Causa | kcal/h |
|---|---|
| Cenicero | 22,275 |
| Gases no quemados | 92,400 |
| Conducto de humos | 118,800 |
| Disipación por estructura | 216,975 |
| Calentamiento del horno | 10,725 |
| Enfriamiento material elaborado | 111,374 |
| Pérdida total | 572,550 |
Qₚ = 572,550 kcal/h
Repartición del calor
Qₛ = 825,000 kcal/h
Qₚ = 572,550 kcal/h
Qᵤ = 252,450 kcal/h
De este balance térmico se puede extraer el rendimiento:
| r = | 252,450 | = 0,306 |
| 825,000 |
Bibliografía:
Héctor Fernández Serventi. "Química". Losada S. A., Buenos Aires.
Robert C. Smoot y Jack Price. "Química, Un curso moderno". Compañía Editorial Continental S. A., México.
Autor: Ricardo Santiago Netto. Argentina
Balance térmico en un proceso de combustión