Propiedades y tipos de combustibles (2017)

Apunte Español
Universidad Universidad Politécnica de Cataluña (UPC)
Grado Ingeniería en Sistemas y Tecnología naval - 3º curso
Asignatura Máquinas navales
Profesor M.
Año del apunte 2017
Páginas 11
Fecha de subida 28/10/2017
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Apuntes a preparar de la parte de motores de la asignatura

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Clasificación y propiedades de los combustibles Máquinas navals MCI PROPIEDADES Y TIPOS DE COMBUSTIBLES DEFINICIÓN -Llamamos combustible a toda sustancia natural o artificial, en estado sólido, líquido o gaseoso que, combinada con el oxígeno produzca una reacción con desprendimiento de calor.
-Para que una sustancia sea considerada como combustible a nivel industrial deberíamos exigirle algunos requisitos más, por ejemplo: • • • • Disponibilidad en grandes cantidades.
Bajo costo de operación (obtención, transporte y almacenaje).
Aplicabilidad (poder quemarla con la tecnología actual).
Poder calorífico razonable.
CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES -La clasificación más conocida de los combustibles es la que se basa en su estado físico: SÓLIDOS -Naturales: • • • Madera: La turba y la madera se utilizan principalmente para la calefacción doméstica e industrial, aunque la turba se ha utilizado para la generación de energía y las locomotoras que utilizaban madera como combustible eran comunes en el pasado.
Carbón mineral: El carbón se quema en calderas para calentar agua que puede vaporizarse para mover máquinas a vapor o directamente para producir calor utilizable en usos térmicos (calefacción).
Esquistos bituminosos: son rocas metamórficas arcillosas, generalmente negruzcas, que contienen materiales inorgánicos y orgánicos, procedentes de la fauna y la flora acuáticas (en lenguaje coloquial serían rocas empapadas de petróleo). Este material es transformado diagénicamente en medio reductor y da lugar a materia orgánica compleja con un elevado peso molecular.
-Elaborados: • • Coque: es un combustible sólido formado por la destilación de carbón bituminoso calentado a temperaturas de 500 a 1100 °C sin contacto con el aire. El proceso de destilación implica que el carbón se limpia de alquitrán, gases y agua. Es poroso y de color negro a gris metálico. El coque se utiliza en grandes cantidades en altos hornos para la elaboración de hierro aprovechando reacciones químicas.
Carbón vegetal: El carbón vegetal es un material combustible sólido, frágil y poroso con un alto contenido en carbono (del orden del 98 %). Se produce por calentamiento de madera y residuos vegetales, hasta temperaturas que oscilan entre 400 y 700 °C, en ausencia de aire.
1 Clasificación y propiedades de los combustibles • Máquinas navals MCI Subproductos (aserrín y recortes, pellets, cáscara de arroz): Se fabrican mediante prensado de serrín donde la propia lignina hace de aglomerante. No se necesita ni pegamento ni ninguna otra sustancia más que la misma madera. Este proceso les da una apariencia brillante como si estuviesen barnizados y los hace más densos que la madera original.
LÍQUIDOS -Naturales: • Petróleo: Sustancia compuesta por una mezcla de hidrocarburos, de color oscuro y olor fuerte, de color negro y más ligera que el agua, que se encuentra en estado natural en yacimientos subterráneos de los estratos superiores de la corteza terrestre; su destilación fraccionada da productos de gran importancia industrial como la gasolina, el queroseno, el alquitrán, los disolventes, etc.
-Elaborados: • • • • Gasolinas: Es un combustible líquido, de densidad 0,75 y de potencia calorífica 32 000 Kcal/l, muy volátil. A la temperatura ordinaria ya emite vapores que forman mezclas explosivas con el aire, por lo que se prohíbe a los automovilistas repostar con el motor en marcha, mantener las luces encendidas, fumar, etc.
Se comercializan distintos tipos de gasolina: normal, de 91 octanos, y super, de 97 octanos. El llamado índice de octanos indica fundamentalmente su diferente capacidad para resistir las altas presiones y temperaturas, dentro del cilindro del motor, sin que se produzca detonación, es decir, autoencendido con anticipación al encendido por la chispa de la bujía. Por eso la gasolina normal es la adecuada para los motores de media compresión y para los que están algo desgastados por el uso, mientras que la gasolina super se emplea para los de alta compresión y prestaciones.
Para mejorar su capacidad antidetonante y hacerlas menos corrosivas, las gasolinas contienen aditivos como el tetraetilo de plomo que, por ser contaminante de la atmósfera, se está sustituyendo por otros más inocuos. Por esta razón ya se está comercializando otro tipo de gasolina, llamada sin plomo.
Gasoil o Diesel: Es un líquido de aspecto algo aceitoso, de densidad 0,85 y potencia calorífica de 42 000 Kcal/kg. Su principal aplicación es como combustible de los motores Diesel gracias a su propiedad de inflamarse cuando se le somete a elevadas presiones y temperaturas.
En la actualidad este combustible resulta más económico que las gasolinas y por eso se utiliza para motores medianos y grandes de coches, camiones, tractores y buques.
Queroseno: Es un líquido transparente, algo más denso que la gasolina y menos inflamable, que se utiliza como combustible en los motores a reacción y de turbina de gas. Se utiliza también como disolvente y para calefacción doméstica.
Fueloil: Es un líquido espeso y oscuro que se utiliza para los hornos industriales y para calefacción, así como en buques. Como su temperatura de inflamación es elevada es difícil mantener su combustión, por lo cual es necesario calentarlo previamente, y con frecuencia puede resultar contaminante debido al humo que desprende cuando las condiciones de su combustión no son las adecuadas. Es el combustible líquido más económico.
2 Clasificación y propiedades de los combustibles • • Máquinas navals MCI Alcohol: En los últimos años se ha trabajado en el desarrollo de motores aptos para funcionar con metanol o etanol, productos obtenidos a partir de madera y caña de azúcar. En Brasil se ha llegado a comercializar un combustible líquido compuesto de etanol y gasolina.
Biodiesel: Es un líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o grasas animales, con o sin uso previo, mediante procesos industriales de esterificación y transesterificación, y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o parciales del petrodiésel o gasóleo obtenido del petróleo. El biodiésel puede mezclarse con gasóleo procedente del refino del petróleo en diferentes cantidades.
GASEOSOS -Naturales: • Gas natural: Es un combustible gaseoso que se encuentra formando bolsas en el subsuelo, generalmente asociado con el petróleo o el carbón. Está compuesto fundamentalmente por metano, pequeñas cantidades de otros gases combustibles como el etano y otros no combustibles como el nitrógeno y el dióxido de carbono.
-Elaborados: • • • GLP: El gas licuado del petróleo (GLP) es la mezcla de gases licuados presentes en el gas natural o disueltos en el petróleo. Lleva consigo procesos físicos y químicos por ejemplo el uso de metano. Los componentes del GLP, aunque a temperatura y presión ambientales son gases, son fáciles de licuar, de ahí su nombre.
En la práctica, se puede decir que los GLP son una mezcla de propano y butano.
Biogás: Es un gas combustible que se genera en medios naturales o en dispositivos específicos, por las reacciones de biodegradación de la materia orgánica, mediante la acción de microorganismos y otros factores, en ausencia de oxígeno.
Gas de gasógeno: El gasógeno es un aparato que funciona usando la gasificación, procedimiento que permite obtener combustible gaseoso a partir de combustibles sólidos como el carbón, la leña o casi cualquier residuo combustible.
Al quemar la leña o el carbón de forma parcial se genera, entre otros gases, monóxido de carbono, que tiene algo de poder calorífico. Si se le añade agua también se puede generar hidrógeno.
3 Clasificación y propiedades de los combustibles Máquinas navals MCI PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES PROPIEDADES GENERALES -Es evidente que las propiedades de los combustibles dependen de la clase de combustible. Los gaseosos, líquidos o sólidos tendrán propiedades específicas que habrá que considerar de forma separada. Sin embargo, todos ellos poseen una propiedad general común: el poder calorífico.
Más adelante estudiaremos con más detalle este concepto. Aquí, baste indicar que, genéricamente, el poder calorífico es la energía desprendida por una unidad de combustible en su combustión. Esta energía pasa a los gases de la combustión, también llamados humos, que contienen los productos de la combustión, entre ellos el vapor de agua.
PODER CALORÍFICO DE UN COMBUSTIBLE -Al utilizar los productos de la combustión, es decir, los humos, como agentes para el aprovechamiento del calor, en realidad lo que se está haciendo es usar su entalpía. Durante estos procesos, los humos se enfrían y, por tanto, su entalpía disminuye. En algunas aplicaciones, este enfriamiento puede llegar a provocar la condensación del vapor de agua presente en los productos de la combustión, lo cual implica una cesión de calor adicional que se suma a la energía inicialmente cedida por el combustible. Así se distinguen dos clases de poder calorífico: • • Poder calorífico inferior (Qi): el agua producto de la combustión se considera en estado de vapor.
Poder calorífico superior (Qs): el agua producto de la combustión se considera en estado líquido.
-Genéricamente, el poder calorífico se mide en kJ/kg o en kJ/Nm3 en los gases combustibles.
Conviene saber que, en los combustibles sólidos y líquidos, el poder calorífico puede referirse a la unidad de masa de combustible bruto, seco, neto seco y neto húmedo, con el siguiente significado: • • • • Bruto, es el combustible tal cual llega al almacén.
Seco, es el combustible sin el agua molecular que hubiera podido absorber.
Neto seco, es el combustible sin cenizas y seco.
Neto húmedo, es el combustible sin cenizas y húmedo.
-El poder calorífico de un combustible se puede determinar mediante fórmulas empíricas que puede encontrarse en [1 y 2].
-El poder calorífico del carbón oscila entre 30.000 a 35.000 kJ/kg en una antracita, y entre 15.000 a 18.000 kJ/kg en un lignito. Los combustibles líquidos tienen un poder calorífico próximo a 40.000 kJ/kg. Los combustibles gaseosos de la 2ª y 3ª familia también tienen un poder calorífico que varía entre 45.000 a 50.000 kJ/kg.
4 Clasificación y propiedades de los combustibles Máquinas navals MCI 5 Clasificación y propiedades de los combustibles Máquinas navals MCI PROPIEDADES ESPECÍFICAS DE LOS COMBUSTIBLES SÓLIDOS -Sin entrar a fondo en la compleja y rica temática del estudio del carbón, indicaremos someramente que la composición de un carbón es fundamental para establecer sus propiedades, así como su densidad, y su contenido en azufre y en materias volátiles. La composición se puede dar según se efectúe el análisis del carbón.
a) Análisis próximo: En este ensayo se determina • Contenido de humedad • Contenido de volátiles • Contenido de carbono fijo • Contenido de cenizas b) Análisis último: Indica la cantidad de cada componente elemental del combustible (carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre, etc.). Para combustibles sólidos y líquidos esta composición se da en porcentaje en peso, mientras que para combustibles gaseosos se de en porcentaje en volumen.
En caso que el combustible tenga humedad el análisis último se puede dar: • • En base húmeda (incluyendo la humedad del combustible).
En base seca (sin incluir la humedad del combustible).
6 Clasificación y propiedades de los combustibles Máquinas navals MCI PROPIEDADES ESPECÍFICAS DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS -Las propiedades más características de los combustibles líquidos son: -Densidad: se facilita, generalmente, a 15 °C. Por ejemplo, la densidad típica de una gasolina es 749 kg/m3. De forma aproximada, se puede utilizar la ecuación:  kg / m 3   250  9,13.mC / mH siendo mC y mH las fracciones másicas de carbono e hidrógeno, respectivamente.
La densidad de un combustible líquido se mide frecuentemente en grados API (°API). La relación entre la densidad API y la densidad SI es:  API  141.500  SI  131,5 -Viscosidad cinemática: generalmente se determina a 37,8 °C. Por ejemplo, la de un gasóleo varía entre 4,5 y 5,5 cSt.
-Transparencia, brillo y color: estas propiedades se establecen mediante ensayos regulados por normas específicas.
-Corrosión: el ensayo se lleva a cabo midiendo el tiempo que tarda el combustible en atacar una tira de cobre o plata o también mediante ensayos regulados por normas específicas.
-Punto de inflamación: se mide en °C. Representa la temperatura mínima que requiere el combustible para arder en presencia de aire atmosférico.
-Índice de cetano (gasóleo) e índice de octano (gasolinas): hacen referencia a la calidad de la combustión de un gasóleo (correcto adelanto del encendido) y de una gasolina (resistencia a la detonación).
-Contenido en azufre, plomo y residuos: como su nombre indica, esta propiedad simplemente determina el contenido del combustible en estos elementos, importantes por su efecto sobre la contaminación ambiental.
-Punto de fluidez: temperatura más baja a la cual el combustible líquido fluye en las cañerías en condiciones normales.
7 Clasificación y propiedades de los combustibles Máquinas navals MCI PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOS -Densidad relativa: además de la densidad absoluta, en los combustibles gaseosos se utiliza la densidad relativa o cociente entre la densidad absoluta y la densidad del aire: r   a Si la composición de un gas de n componentes se da mediante fracciones molares xi, la densidad relativa del gas es: i n  r    ri .xi i 1 -Límites de inflamabilidad: esta propiedad establece las proporciones de gas y aire necesarias para que se produzca la combustión mediante un límite inferior y un límite superior. La tabla 3 proporciona los límites de inflamabilidad de algunos gases. Para más información, puede consultar. Cuando se trata de una mezcla de gases, se utiliza la ecuación de Le Chatelier-Coward: L 1 in  L .x i 1 i i siendo Li el límite de inflamabilidad de cada componente de la mezcla. La ecuación anterior se aplica tanto para determinar el límite inferior como el superior.
8 Clasificación y propiedades de los combustibles Máquinas navals MCI -Punto de inflamación: para que se produzca la reacción de combustión, se ha de alcanzar una temperatura mínima denominada «punto de inflamación». La tabla 4 proporciona puntos de inflamación en aire y oxígeno de algunos gases.
-Intercambiabilidad de los gases: los gases combustibles, en general, no se pueden intercambiar en los quemadores. El quemador de un horno, de una mufla o de cualquier cámara de combustión regula la relación aire/combustible, así como la velocidad de salida del gas, para que la combustión se lleve a cabo satisfactoriamente.
Una combustión insatisfactoria, puede presentar los siguientes problemas: • • • Retorno de llama: La velocidad de salida del gas es inferior a la velocidad de propagación de la llama. Así, ésta puede retroceder con el consiguiente peligro de calentamiento de zonas que no están preparadas para la combustión.
Desprendimiento de llama: La velocidad de salida del gas es superior a la velocidad de propagación de la llama. Ésta se aleja del quemador y, por tanto, se puede producir en un lugar no deseado.
Combustión no completa: Es consecuencia de que se aporta menos aire del necesario para una combustión completa. A1 margen de que la combustión tenga propiedades diferentes, pues es una combustión reductora, se produce monóxido de carbono, un gas letal, aun respirado en pequeñas proporciones. Tal como establece la normativa vigente, se considera una combustión no completa cuando los gases contienen más de 0,1% de monóxido de carbono.
9 Clasificación y propiedades de los combustibles Máquinas navals MCI Las condiciones satisfactorias de una combustión se muestran en un diagrama que utiliza como ejes el índice de Wobbe(W) y el potencial de combustión(C). La zona geométrica de éste en la cual no se haya desprendimiento de llama, retorno de llama y combustión incompleta será la zona de funcionamiento satisfactorio. En la figura 1 se muestra de forma cualitativa un diagrama de esta forma. Es evidente que la construcción de un diagrama de este tipo es experimental y corresponde a un grupo determinado de quemadores.
Dos gases son intercambiables cuando tienen el mismo potencial de combustión y el mismo índice de Wobbe. El índice de Wobbe (W) es: 𝑊= 𝑄𝑃 𝑠 √𝜌𝑎 siendo𝑄𝑃 𝑠 el poder calorífico superior del gas y ρa su densidad relativa. El potencial de combustión es un índice de naturaleza empírica relacionado con la velocidad de combustión del gas. Se expresa de forma diferente para las distintas familias de gases. Cuando un gas puede ser sustituido por otro en un quemador, sin ninguna clase de ajuste, se dice que ambos gases son intercambiables.
Puede construirse un gráfico general que corresponde a una gama amplia de quemadores, donde aparece la zona de funcionamiento satisfactorio correspondiente a las tres familias de gases. Este diagrama puede ayudar a decidir la intercambiabilidad de dos gases o mezclas.
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