HORNO A COMBUSTION INTERNA I.
RESUMEN
Entre las alternativas disponibles para incrementar la eficiencia energética en procesos de combustión se encuentra la combustión con aire enriquecido con oxígeno, la cual consiste en aumentar la concentración de oxígeno en el aire atmosférico hasta llegar a niveles de hasta el 100%. En el presente estudio se realiza una revisión de la fenomenología del proceso de combustión con aire enriquecido, haciendo énfasis en aspectos termodinámicos, químicos y cinéticos. Así mismo, se presentan los métodos de obtención de aire enriquecido con oxígeno más aplicados hasta el momento, como la adsorción por presiones oscilantes en tamices moleculares y destilación criogénica, y los que se encuentran en estado de desarrollo, como las membranas de separación. Finalmente, se revisan las aplicaciones más comunes de la combustión con aire enriquecido, como procesos industriales de alta temperatura, captura y secuestro de CO2, y motores de combustión interna, al igual que los avances en investigación II.
INTRODUCCIÓN.
Los hornos de fusión empleados en la industria del vidrio pueden ser: - Hornos de fusión de llamas - Hornos de fusión calentados eléctricamente. eléctricamente. Siendo los más empleados los primeros, cuya gama de producción va desde 5 a 1000 t dia . El primero tendría una superficie de 8 2 m y una masa de revestimiento refractario de, aproximadamente, 50 t y el segundo una superficie de 1100 2 m y 8000 t de refractario (incluyendo (incluyendo los regeneradores). regeneradores). Los hornos pueden ser continuos o discontinuos. discontinuos. En los hornos de llamas la solución más simple para el calentamiento consiste en utilizar quemadores alimentados con aire frío. Sin embargo, con el fin de aumentar la capacidad de fusión y el rendimiento térmico es deseable disponer de una temperatura de llama lo más elevada que sea posible, para ello las dos maneras más utilizadas son: 1.- Precalentamiento del aire de combustión utilizando el calor sensible que contienen los gases que salen del horno a una temperatura entre 1300 y 1500 ºC. Esto se realiza mediante regeneradores construidos en material refractario o mediante intercambiadores metálicos Aire/Gases, denominados recuperadores en la industría del vidrio. 2.- Utilizando oxígeno o aire enriquecida en oxígeno como comburente.De este modo los hornos de llamas se clasifican tomando como criterio su sistema de combustión y así se tienen: 1. 2. 3. 4.
Hornos de calentamiento calentamient o directo con quemadores quemadore s alimentados con aire frío Hornos recuperadores Hornos regeneradores regeneradore s Hornos con oxicombustión oxicombustión
El motor de combustión interna ha evolucionado mucho desde los inicios hasta el día de hoy, desde los comienzos de esta tecnología donde nadie apostaba por él, debido a que la máquina de vapor era más competente, hasta el día de hoy donde es el motor más utilizado del mundo para el transporte.
El motor de combustión interna ha mejorado en muchos aspectos, el rendimiento de los motores ha evolucionado desde el orden del 10% que alcanzaban los primeros motores, hasta el 35% o 40% que se alcanzan hoy en día. El rendimiento de los motores no es el único aspecto que se ha mejorado, sino que a base de nuevas tecnologías aplicadas, diversas aplicaciones electrónicas, mejorías en los combustibles, materiales más ligeros y resistentes, etcétera, han conseguido potencias brutales en estos motores térmicos. III. DESARROLLO : 1.1 PERSPECTIVA HISTORICA El propósito de un motor de combustión interna es la producción de energía mecánica a partir de la energía química almacenada en el combustible. En los motores de combustión interna la energía se libera mediante el encendido y la oxidación del combustible dentro del motor a diferencia de los de combustión externa como por ejemplo un horno industrial o una caldera. El fluido de trabajo cambia su composición química antes y después de la combustión y es el encargado de transferir el trabajo al pistón que posteriormente se encarga de transferirlo al resto de los componentes de la cadena cinemática hasta llegar finalmente a las ruedas impulsoras del movimiento.
Cuando se habla de motores de combustión interna hay que especificar la forma en que se lleva a cabo el encendido, promotor de la combustión
Debido a su simplicidad, robustez y alta relación potencia/peso estos dos tipos de motores han sido ampliamente usados tanto para transporte (tierra, agua y aire) como para generación de potencia.
Motores de combustión interna: Entre los beneficios encontrados al utilizar aire enriquecido con oxígeno en motores de combustión interna se encuentran incrementos en el rendimiento, utilización de combustibles de bajo poder calorífico, disminución de emisiones de hidrocarburos sin quemar, monóxido de carbono y material particulado. Sin embargo, el incremento en las emisiones de óxidos de nitrógeno como consecuencia de las altas temperaturas obtenidas en la cámara de combustión del motor ha constituido una de las principales limitaciones para su implementación (Wu y Huang, 2007)
CICLO TEÓRICO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA Para que ocurra esa explosión, como ya hemos dicho antes tiene que haber un combustible mezclado con aire para que pueda reaccionar y explotar. Por lo tanto, no solo basta con un proceso de explosión del combustible, sino que hace falta un proceso de admisión para que este carburante (aire y combustible) entre en el cilindro. También para poder realizar el ciclo hace falta un proceso de escape, para poder vaciar el cilindro y que pueda volver a entrar el carburante. Con estos tres procesos ya podemos seguir un ciclo (admisión – expansión – escape). Aunque fue Alphonse Beau de Rochas quién optimizó notablemente el motor de combustión interna añadiendo otro proceso al ciclo, el proceso de compresión. Con el proceso de compresión conseguimos que el aumento de presión en el momento de la explosión sea mucho mayor, ya que antes de explotar , los gases reactivos ya están presionados. Así se ha quedado el ciclo del motor de combustión interna hasta hoy, con 4 procesos por ciclo (admisión – compresión – expansión – escape).
Características fenomenológicas de la combustión con aire enriquecido : La combustión con aire enriquecido hace referencia al uso de concentraciones de oxígeno superiores al 21% en el oxidante de un proceso de combustión. La elevada temperatura de llama que se genera en la combustión con aire enriquecido (Skeen et al., 2009) es una característica que se aprovecha en aplicaciones industriales de alta temperatura, como la fusión de materiales, y reacciones de descomposición térmica y sinterización, entre las que se destacan la fusión de vidrio Revisión de la combustión con aire enriquecido con oxígeno como estrategia para incrementar la eficiencia energética 467 Ing. Univ. Bogotá (Colombia), 17 (2): 463-482, julio-diciembre de 2013 y la producción de cemento, acero, metales ferrosos y aluminio, con aumentos de producción entre el 15 y 65%, y aumentos en eficiencia de combustión entre el 10 y 30% (Daood et al., 2011). El incremento en la concentración de oxígeno ocasiona cambios termodinámicos en el proceso de combustión que pueden ser explicados por medio de la ecuación 1, la cual corresponde a la combustión con aire enriquecido con oxígeno de un hidrocarburo de composición general Cx H. IV.
MÉTODOS DE SEPARACIÓN DE AIRE
La tecnología de producción de oxígeno es un aspecto clave en la utilización de aire enriquecido en los procesos de combustión, pues su costo, el cual depende de su consumo energético, influye en la eficiencia energética global y la viabilidad económica de los procesos, haciendo que la investigación en este tipo de tecnologías haya estado direccionada hacia la obtención de tecnologías más eficientes energéticamente, optimizando los procesos de separación individualmente (Kansha, Kishimoto y Nakagawa, 2011; Rizk, Nemer y Clodic, 2012) y combinando las diferentes tecnologías de separación de aire (Burdyny y Struchtrup, 2010; Akinlabi, Gerogiorgis y Georgiadis, 2007). Una de las principales limitaciones para aplicar la técnica de enriquecimiento de aire con oxígeno en los procesos de combustión ha sido el costo de producción del oxígeno a partir del aire atmosférico (Qiu y Hayden, 2009; Li y Fan, 2012). Las tecnologías actuales para separación de aire incluyen la destilación criogénica, la adsorción a temperatura ambiente y la separación por membranas; sin embargo, la elección de la tecnología apropiada depende de la escala de producción y la concentración final de oxígeno requerido (Kansha, Kishimoto y Nakagawa, 2011). Motores de combustión interna: Entre los beneficios encontrados al utilizar aire enriquecido con oxígeno en motores de combustión interna se encuentran incrementos en el rendimiento, utilización de combustibles de bajo poder calorífico, disminución de emisiones de hidrocarburos sin quemar, monóxido de carbono y material particulado. Sin embargo, el incremento en las emisiones de óxidos de nitrógeno como consecuencia de las altas temperaturas obtenidas en la cámara de combustión del motor ha constituido una de las principales limitaciones para su implementación.
V.
CONCLUSIONES.
La combustión con aire enriquecido ha demostrado ser una técnica eficiente de aprovechamiento de la energía de combustibles fósiles y alternativos de bajo poder calorífico. Esta técnica genera cambios considerables en los fenómenos cinéticos y termodinámicos de la combustión, los cuales repercuten en la variación de los patrones de transferencia de calor y formación de especies químicas contaminantes. VI.
REFERENCIAS
AKINLABI, C. O.; GEROGIORGIS, D. I.; GEORGIADIS, M. C.; et al. Modelling, design and optimisation of a hybrid PSA-membrane gas separation process. Computer Aided Chemical Engineering. 2007, vol. 24, pp. 363-370. BANDEIRA SANTOS, A. Á.; TORRES, E. A. y DE PAULA PEREIRA, P. A. Experimental investigation of the natural gas confined flames using the OEC. Energy. 2011, vol. 36, pp. 1527-1534.
VII.
ANEXOS:
Hornos industriales
Hornos a gas Un horno industrial de gas es la instalación donde se transforma la energía química de un combustible en calor que se utiliza para aumentar la temperatura de aquellos materiales depositados en su interior y así llevarles al estado necesario para posteriores procedimientos industriales. Las partes fundamentales de un horno de gas son:
Hogar o cámara de combustión: donde se alojan los quemadores y se generan los gases de combustión. Puede coincidir con la cámara de calentamiento o ser una cámara independiente.
Cámara de calentamiento: existen distintos tipos, dependiendo de la forma de operación del horno y de su función.
Revestimiento aislante: recubre todas las cámaras y equipos del horno.
Chimenea y tubos de escape de gases de combustión: Suelen ir acoplados a intercambiadores para aprovechamiento de la energía calorífica que poseen, previo a la emisión a la atmósfera.
Según su función, los hornos a gas se pueden clasificar
Hornos de Fusión: Su función es la de fundir los materiales. Hay varios subtipos: Crisol, Reverbero y Cubilote
Hornos de Recalentar: Su objetivo es el calentamiento de piezas para procesos como laminación, extrusión, forja, estampación y conformado.En todo momento se mantiene el estado sólido de las piezas, sólo buscándose su reblandecimiento. Los tipos más importantes de horno d recalentamiento son: Pit o de Fosa; de Mufla; de Campana; de Empujadora; de Viga Galopante; de Vagonetas; de solera giratoria.
Hornos de Tratamiento Térmico: Su función es la de inferir una propiedad al material. Algunos de los tratamientos existentes son:
Recocido, normalizado, temple, revenido, homogeneizado, solubilización, maduración o envejecimiento, etc.
Cementación, carbonitruración, nitruración, cianuración, descarburación, etc.
Recubrimiento por galvanización, estañado, esmaltado, etc.
