Chapter 2 Review of the literature
2.3 Research on spatial cognition
2.3.1 Alignment of reference frames
Las instalaciones para gas natural son realizadas con el objetivo de acondicionar parámetros físicos, y transportar el gas para el consumo del mismo en los equipos industriales, tales parámetros son de vital importancia como la presión, limpieza del combustible. La medición del volumen es una de las funciones principales de las instalaciones para contabilizar la cantidad de gas consumido en calderos, hornos, secadores, equipos y dispositivos de combustión los cuales generan calor mediante el principio teórico de combustión de combustibles.
3.2.11.1. Combustión industrial
En la industria el uso de combustibles para la generación de vapor, secado, cocción de alimentos es de vital importancia, por lo que se aprovecha al máximo la energía liberada por la combustión.
La combustión es una reacción química producto de la combinación rápida y violenta del oxígeno del aire con los distintos elementos que constituyen el combustible, formando nuevos compuestos y liberando energía en forma de calor y luz y manifestándose visualmente como fuego.
Toda combustión tiene un elemento combustible y otro que produce la combustión (comburente), que generalmente es el oxígeno en forma de O2.
Objetivos de la combustión
- Generar calor a un proceso determinado, (Secado, Cocción)
- Incrementar la temperatura, para facilitar la ocurrencia de un proceso, (generación de vapor).
- Crear una atmósfera con los productos de combustión, secado (Galvis, 2004).
Química de combustión
La reacción de combustión tiene:
Reactivos: Componentes antes de la reacción Productos: Componentes después de la Reacción:
CH4 + 2O2 =CO2 + 2H2O
Postulados de la teoría inorgánica de combustión:
Todos los combustibles industriales son combinaciones carbono / hidrogeno. Todos los combustibles se disocian en carbono/hidrogeno antes de reaccionar.
Siendo la combustión del hidrógeno instantánea, la partícula de carbón constituye el verdadero núcleo de la combustión industrial.
La naturaleza y el tamaño de las partículas de carbón y la disponibilidad de oxígeno en el medio definen las condiciones y posibilidades de desarrollo de la combustión.
El manejo de la combustión constituye fundamentalmente un problema de la mecánica de fluidos.
Tipos de combustión Combustión estequiometria
Es aquella en la cual se mezclan el combustible y el oxígeno en cantidades exactamente requeridas, los cuales se quema en forma completa y perfecta. Se supone esta combustión completa, no obstante la reacción está fuertemente ligada a condiciones químicas y físicas. Sólo se producen reacciones estequiometricas teóricamente (Chávez, 2005)
Combustión completa con exceso de aire
Para conseguir una combustión completa, es decir sin presencia de CO en los productos de la combustión, es necesario emplear una proporción de oxigeno superior a la teórica. Este exceso de aire conlleva a 2 efectos importantes en cuanto al proceso de combustión:
- Disminución de la temperatura máxima posible al aumentar la cantidad de gases de combustión.
- Variación sensible en cuanto a la concentración de los óxidos formados respecto al nitrógeno, lo que se traduce en una disminución de la eficiencia de la combustión (Chávez, 2005).
Combustión incompleta
Reacción donde los elementos que conforman el combustible no son completamente oxidados en el proceso de combustión. Los componentes que identifican una combustión incompleta el los gases de combustión son C, CO, H2, OH (Galvis, 2004).
Las causas más comunes para una combustión incompleta son: - Cantidad insuficiente de oxígeno.
- Mezcla de aire-combustible deficiente (escasa turbulencia).
Combustión real
En la práctica común de combustión, donde un exceso de aire garantiza la reacción de todo el combustible liberando la energía total contenida en dicho combustible. El exceso de aire superior al exigido en la combustión real causa ineficiencia del proceso.
Combustión adiabática
Proceso donde todo el calor liberado en la combustión se usa exclusivamente en elevar la temperatura de los gases de combustión. No existe intercambio de calor con los alrededores (Galvis, 2004).
Figura 25. Esquema básico de la combustión industrial
(Fuente: Galvis, Adaptación de equipos de combustión a uso de GN ,2004)
Condiciones para la combustión Temperatura de inflamabilidad
Es la temperatura a la cual los vapores de combustible en presencia de aire y una fuente de calor reaccionan y se propagan a toda la masa de combustible.
Tabla 06.
Temperatura de inflamación de algunas sustancias
SUSTANCIA TEMPERATURA DE INFLAMACIÓN (°C) Monóxido de carbono 641 Hidrogeno 585 Metano 537 Etileno 450 Etano 510 Propano 466 Butano 430 Isobutano 543
Fuente: Galvis, Adaptación de equipos de combustión a uso de GN, (2004).
Límite de inflamabilidad
Son las concentraciones aire combustible para que ocurra una combustión auto sostenida en presencia de una fuente de ignición.
Límite inferior y Superior de inflamabilidad (Lower and Upper Explosive Limits LEL, UEL).
Límite inferior de inflamabilidad (LII): Es la concentración mínima de gas en el aire por debajo de la cual fuego no es posible.
Límite superior de inflamabilidad (LSI): Es la máxima concentración de gas en el aire por encima de la cual fuego no es posible. (Matheson, Gas Products, 2001).
Tabla 07.
Límites de inflamabilidad de diferentes sustancias
Sustancia Límite inferior % Limite Superior %
Monóxido de carbono (CO) 12,5 74
Hidrogeno (H) 4,1 74 Metano (CH4) 5,0 15 Etileno C2H4 3,0 29 Etano C2H6 3,2 12,5 Propano C3H8 2,4 9,5 Butano C4H10 1,9 8,4 Pentano C5H12 1,4 7,8 Benceno C6H6 1,4 6,7 Gas Natural 4,8 13,5
Fuente: Galvis, Adaptación de equipos de combustión a uso de GN, (2004).
Temperatura de ignición
Es la temperatura más baja a la cual la reacción de combustión se auto sostiene, esta temperatura depende de las condiciones cinéticas de reacción del combustible y de los equipos de combustión (Galvis, 2004).
3.2.11.2. Quemadores industriales
Los equipos de combustión son dispositivos mediante los cuales, el combustible (gas natural) es puesto en contacto con el comburente (aire), a fin de provocar la combustión y lograr de este modo el efecto térmico buscado. (Chávez, 2005).
Los dispositivos que están directamente involucrados en la combustión son: - El quemador
El quemador debe cumplir con las siguientes funciones fundamentales en el proceso de combustión:
- Aportar combustible en las condiciones adecuadas para su adecuado encendido y combustión.
- Aportar parcial o totalmente el aire con el oxígeno necesario para la combustión.
- Mezclar el aire y combustible en las proporciones adecuadas y en el momento necesario.
- Encender y quemar la mezcla.
- Adaptar la llama al uso particular al cual se aplica, confiriéndole longitud, volumen, temperatura y luminosidad conveniente.
Adicionalmente para poder generar la mezcla aire combustible existen las siguientes maneras:
- La energía disponible en la presión del gas proporciona la mezcla. - La energía disponible en la presión del aire proporciona la mezcla. - La presión combinada del gas y el aire son usadas para la mezcla.
- Un componente de succión tal con un ventilador con un mezclador proporciona la mezcla.
- El gas y el aire de la combustión son mezclados justo antes de la boquilla. (Chaves, 2005).
Tipos de quemadores
Sin soplador
- Atmosféricos Con soplador
Quemadores atmosféricos
Este quemador se puede utilizar para alta o baja presión de suministro de gas. Este quemador, como se observa en la figura cuenta con una tobera de inyección de gas en forma de “tubo de Venturi”, aspirándole aire primario necesario para la combustión a través de orificios de la parte posterior del quemador, provocando una mezcla intima de aire y gas.
Como el quemador no llega a inducir la totalidad del aire de la combustión, se introduce el aire secundario a través de un segundo registro, dispuesto en general en el frente del quemador.
El valor de la relación aire-gas se regula mediante un registro sobre el aire primario, con el objeto de lograr la llama adecuada.
Para el caso de calderas industriales suelen diseñarse quemadores industriales tipo multitoberas, que son un conjunto de quemadores del tipo atmosférico, que trabajan simultáneamente, en forma proporcional a la cantidad de calor a suministrar.
Otra variante muy utilizada de quemadores atmosféricos son los del tipo lineal, que consiste en quemadores con numerosos orificios de salida, dispuestos en tramos rectos. El aire llega a dichos orificios y toma de la atmósfera la totalidad del aire para la combustión (Chaves, 2005).
Figura 26. Quemador atmosférico
Fuente: ERGIO Controles Quemador EQA77 Venturi, atmosférico, para baja presión (20-30mbar) capacidad de 25000 kcal/h para gas natural
Quemadores pre mezcla (premix)
Estos quemadores producen la mezcla del gas con el aire en un punto anterior a la tobera de la llama, por medio de un dispositivo llamado mezclador. Existen básicamente dos sistemas de pre mezcla: por aspiración y por inspiración. El mezclador de aspiración opera con baja presión de gas (generalmente 30 a 80 mbar) y necesita para que sea aspirada una muy buena presión de aire, la cual se logra con un ventilador centrífugo o aire comprimido.
El mezclador de inspiración necesita alta presión de gas (0,5 a 3 bar) con el fin de arrastrar la cantidad de aire necesaria para la combustión directamente de la atmósfera. Los dos sistemas realizan la mezcla a través de un Venturi. Luego que el fluido conductor ingresa a la garganta arrastrando al otro, se expanden en la zona del difusor convirtiendo su velocidad en presión de mezcla, la cual es muy importante para variar la potencia del equipo.
Estos quemadores son muy utilizados en procesos metalúrgicos (fusión, tratamientos térmicos), fusión de vidrio, hornos de cerámica y cualquier proceso que necesite una alta temperatura final de proceso.
Figura 27. Quemador pre mezcla
Fuente: ERGIO Controles-Quemador EQA796 Pre mezcla, capacidad de 200 m3/h para gas natural, ejemplo de instalación.
Quemadores de mezclado en tobera
En estos quemadores el aire y el gas se mantiene separados hasta alcanzar la boquilla del quemador (salida del mismo), donde son mezclados para luego producirse la combustión.
Hay una gran variedad de quemadores de mezclado en tobera, los cuales se pueden agrupar en dos tipos:
- Quemadores de mezclado en tobera para aplicaciones de alta temperatura.
Forma de la llama
En el funcionamiento del quemador, la llama producida se verá directamente afectada por los parámetros de la operación, tales como: cambios en la presión de mezcla o la cantidad de aire primario afectarán la forma de la llama.
Para la mayoría de los tipos de quemadores un incremento en la presión de mezcla ensanchará la llama y un incremento en el porcentaje de aire primario acortara la llama. El espesor de la llama, es reducido por la presión de ambiente y alta velocidad del quemador.
Una buena mezcla, producida por un alto grado de turbulencia y alta velocidad produce una llama corta y espesa, mientras si la mezcla es pobre y a baja velocidad resulta una llama delgada y débil. La turbulencia y una buena mezcla se pueden promover con el uso de paletas en las corrientes para generar remolino. La alta presión permite lanzar el combustible más lejos del inyector del quemador antes de que pueda se calentada a su temperatura de ignición y de esta forma alargar la llama. (Chávez, 2005).
3.2.11.3. Calderas industriales
Una caldera es un intercambiador de calor en el que la energía se aporta generalmente por un proceso de combustión, o también por el calor contenido en un gas que circula a través de ella.
En ambos casos, el calor aportado se transmite a un fluido, que se vaporiza o no, y se transporta a un consumidor, en el que se cede esa energía.
La estructura real de una caldera dependerá mucho del tipo. No obstante, de forma general, se puede describir las siguientes partes que conforman una caldera:
Hogar: Zona de la caldera que alberga el quemador en su interior y en él se realiza la combustión del combustible utilizado y la generación de los gases calientes.
Quemador: Equipo generador de la llama por medio de la combustión,
Tubos de intercambio de calor: El flujo de calor desde los gases hasta el agua tiene lugar a través de su superficie o viceversa dependiendo del tipo de caldera.
Chimenea: Es la vía de escape de los humos y gases de combustión después de haber cedido calor al fluido (Productos de la combustión)
Carcasa: contiene el hogar y el sistema de tubos de intercambio de calor.
Figura 28. Componentes de una caldera
Fuente: PIMMSA Proyectos industriales y mantenimiento de Morelia S.A. Clasificación de calderas de acuerdo a la disposición del fluido.
Calderas acuotubulares
Las calderas acuotubulares o tubos de agua son calderas en la cual el fluido de trabajo circula por el interior de tubos durante su calentamiento, los gases calientes de la combustión se desplazan alrededor de los mismos, estas calderas son diseñadas desde lo 20HP hasta los 2000HP en potencia.
Este tipo de calderas tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones de diseño superiores a 350 Psi.
Figura 29. Detalle de caldera acuotubular Figura 30. Caldera acuotubular Fuente Fernecom, Guía Básica de calderas industriales, Madrid, 2014
Calderas pirotubulares.
Son aquellas calderas en la cual los gases productos de la combustión circular por el interior de los tubos en pasos, y el líquido se encuentra en el exterior envolviendo los tubos que transfieren el calor.
Son de aplicación principalmente cuando la presión es inferior a 22 bar.
Figura 31. Caldera piro tubular horizontal
Tabla 08.
Ventajas y desventajas del uso de calderas pirotubulares y calderas acuotubulares
Fuente: Investigación, Cuadro comparativo de calderas pirotubulares y acuotubulares, Almanza, 2011, pág. 10.
Las calderas pirotubulares se clasifican por el número de pasos en el interior siendo las calderas de dos, y tres pasos las más usadas.
Los pasos parten del hogar, donde los gases de la combustión inician su recorrido luego pasa a los tubos que recorren en posición contraria a la del
CALDERAS ACUOTUBULARES CALDERAS PIROTUBULARES
-Evaporación más rápida, debido a las pequeñas cantidades de agua contenida en los tubos.
-Son afectados por la diferencia de consumo de vapor y alimentación de agua. -La circulación de agua es deficiente,
reduciendo de esta manera la eficiencia. -Trabajan a mayores presiones y se
fabrican para grandes potencias.
-Resisten grandes esfuerzos y de lento enfriamiento.
-Son más sensibles a las incrustaciones (interior de los tubos), por lo tanto el mantenimiento es dificultoso.
-Son más costosos.
-Requieren más instrumentación y mayores controles.
-La explosión queda limitada generalmente a uno o varios tubos.
-Contienen gran cantidad de agua en el interior por lo que no son muy afectados por la diferencia de consumo de vapor y alimentación de agua.
-Hay menor pérdida de calor por radiación porque los tubos se encuentran cubiertos de agua (mayor eficiencia).
-Trabajan a menores presiones, pero son más grandes para una misma capacidad. -De rápido enfriamiento, por apertura de la
cámara de combustión.
-El mantenimiento es más fácil (exterior de los tubos).
-Requieren menos instrumentación y control. En caso de que ocurriese una explosión puede destruir por completo el cuarto de calderas, así como su entorno.
primer paso y luego salen a la chimenea para el caso de dos pasos, para el caso de tres pasos el fluido vuelve a circular por otro paso y sale a la chimenea por el lado opuesto a la del quemador.
3.2.11.4. Secadoras industriales
Son los equipos cuya función es eliminar total o parcialmente los líquidos impregnados. Normalmente se refiere al agua, pero es extensible a otros líquidos como alcohol o éter. La humedad en un producto puede estar simplemente adherida (superficial), llenar los poros (capilar) o impregnar toda la masa (constitucional). La desecación puede ser natural, dependiendo de las condiciones ambientales, y por tanto de eficacia variable, y artificial, en cuyo caso puede realizarse de las siguientes maneras:
- Mecánicamente, por prensado, aspiración, centrifugado o filtración.
- Por procesos físico-químicos en los que la humedad es absorbida por sustancias higroscópicas (absorbentes de humedad).
- Térmicamente con aire o gases, que arrastran la humedad evaporada.
- Térmicamente sin aire, mediante la evaporación en autoclave, a vacío o por calentamiento dieléctrico. Tan sólo las dos últimas formas son aplicables a secaderos industriales (Gas natural Fenosa).
Las partes básicas de un secador son:
- Hogar: Donde se generan los gases calientes que aportarán el calor necesario para la operación de secado. Si el secadero es eléctrico, esta parte no existe. - Cámara de secado: Es el secadero propiamente dicho.
- Ventiladores: Que impulsan el aire caliente a través del secadero. Los procesos industriales de secado tienen una fuerte incidencia en el consumo energético de la industria, alcanzando un 11 % del consumo total de ésta.
Figura 32. Secadora con intercambiador cilíndrico
Fuente: Diseño de una secadora de Arroz con intercambiador de calor para una apiladora, Chicaiza Manuel, Guayaquil Ecuador, 2007 pág. 89.
3.2.11.4.1 Proceso de Secado
Para el proceso de secado deben distinguirse tres tiempos:
- Periodo AB. Es el periodo de calentamiento inicial del producto en el cual la velocidad de secado aumenta.
- Periodo BC. La velocidad de secado permanece constante y es independiente del sólido.
- Periodo CD. La humedad superficial ya ha sido eliminada y ahora es preciso evaporar la humedad interna, que ha de emigrar a la superficie. La velocidad de secado decrece (Gas natural Fenosa).
Figura 33. Proceso de secado
(Fuente: Gas Natural Fenosa –Secaderos industriales).
3.2.11.4.2 Tipos de secadores
Los secaderos son equipos extremadamente variables en forma y componentes, dependiendo de la aplicación industrial, del estado que presente el producto a secar, y de la forma de transmisión de calor que se emplee. Por eso, para definir los componentes de esta tecnología, describiremos los distintos tipos de secaderos.
Secaderos por conducción. Son típicos de la industria papelera y textil, donde la banda de papel, o tejidos húmedos se seca por contacto con la superficie exterior de un cilindro hueco en cuyo interior se condensa vapor de agua.
Figura 34. Proceso de secado por conducción Fuente: Alarcón, José, (2016) –Secaderos industriales.
Secaderos por convección. Pueden ser de convección natural al aire, pero son mucho más frecuentes los secaderos de convección forzada utilizándose como fluido caliente los humos procedentes de una combustión o aire calentado eléctricamente o por otros medios.
3.2.11.4.3 Aplicaciones Industriales del secado
Los distintos procesos industriales, que requieren del secado consumen una gran parte de la energía total necesaria para su producción en este proceso. Las industrias agroalimentarias y papeleras son las usuarias más importantes de los procesos de secado, que supone un consumo de más del 60 % del total en dicho campo industrial. En los campos industriales textil, químico, cemento y materiales de construcción, la energía consumida en los procesos de secado supone del 25 % al 35 % del consumo energético total.
Tabla 09.
Aplicaciones industriales de los distintos tipos de secadores
Aplicaciones industriales de secadores
Sector industrial Proceso T °C Tipo de secador Consumo
(Kwh/Kg)
Papelero Fabricación de pasta,
concentrado y papel 100-130 Conducción Convección Radiación y evaporadores 8.1 – 13,9 Alimentaria Preparación de azúcar, leche, cereales, forrajes,
etc. 60-900 Convección Evaporadores Atomizadores Cristalizadores Hornos Rotativos 2.3 – 17,4
Textil Secado de tejidos 80-140
Continuos o intermitentes por convección forzada
o conducción
13,9 – 40,6
Química Múltiples procesos 60.-130 Gran variedad Muy Variable
Cemento Cocción 100-450 Hornos de cocción con secciones de secado por convección directa 11,6 – 13,9 Materiales de
construcción Cerámica y refractarios 80-120 Varios 10,4 – 13,9
Electrometalurgia
Fabricación de alúmina, Electrodos para hornos
de arco Ferroaleaciones, etc. 75 - 1000 Varios 2,3 – 10,4 Minería Operaciones extractivas y de preparación del mineral ≈100 Varios 10,4 – 11,6
Fuente: Gas Natural Fenosa Secaderos Industriales