Fundamentos Termodinámicos de la Combustión: Puntos de Ignición y Estructura de la Llama

Conceptos Fundamentales de la Combustión

Puntos Característicos y Límites de Inflamabilidad

Punto de Inflamación (Flash Point)

Temperatura (T) y presión (P) a la que una sustancia combustible produce vapores que se mezclan con el aire y están en condiciones de iniciar una combustión si se les aplica una fuente de calor a suficiente temperatura (Tª).

Punto de Ignición (Fire Point)

La temperatura más baja (a una presión dada) necesaria para que, tras iniciar la combustión, la llama se mantenga sin necesidad de añadir calor exterior.

Autoignición

La sustancia se oxida espontáneamente sin necesidad de una fuente exterior de calor, alcanzando la temperatura de ignición.

Límites de Inflamabilidad

La ignición se produce cuando las concentraciones (en volumen) del aire y el combustible en condiciones normales (CN) están dentro de estos límites.

Velocidad de Oxidación y Tipos de Reacción

La Velocidad de Oxidación se relaciona con la velocidad del frente de llama. Los tipos de reacción se clasifican según esta velocidad:

• Oxidación Lenta: Se produce sin emisión de luz (llama) y con poca emisión de calor.
• Combustión: Velocidad moderada, con emisión de luz y calor perceptible.
• Deflagración (Explosión): Velocidad del frente de llama menor que la velocidad del sonido (V_frente < V_sonido).
• Detonación (Explosión muy violenta): Velocidad del frente de llama mayor que la velocidad del sonido (V_frente > V_sonido).

Relación de Dosado (n)

El coeficiente n define la riqueza de la mezcla:

• Si n > 1: Mezcla pobre en combustible (exceso de aire).
• Si n < 1: Mezcla rica en combustible (defecto de aire).
• Si n = 1: Combustión estequiométrica (ideal).

Se observan menores excesos de aire con los combustibles gaseosos.

Estructura y Estabilidad del Frente de Llama

El Frente de Llama es el lugar geométrico donde se reúnen las condiciones necesarias para realizar la combustión, separando los Reactivos (R) de los Productos (P).

• La llama será estable si la velocidad del frente (V_frente) y la velocidad de los gases de escape se compensan con la velocidad de entrada de los reactivos (R).
• El frente es un envolvente fino donde no hay combustión, pero sí difusión.

Relación entre Velocidad y Tamaño de la Llama

• A mayor V_frente, menor tamaño de la llama.
• A mayor velocidad de los reactivos (V_reactivos), mayor tamaño de la llama.

Zonas de la Llama

1. Zona de Pre-reacción: La mezcla combustible/comburente aún no posee la temperatura necesaria para reaccionar.
2. Zona de Reacción: La mezcla ya ha alcanzado la temperatura de ignición (T_ignición).
3. Zona Post-reacción: Los gases producto se enfrían y dejan de emitir luz.

La temperatura de la llama (T_llama) es menor que la temperatura adiabática (T_adiabática) solo si existe disociación.

Clasificación de Llamas según la Mezcla de Reactivos

Según la forma en que se mezclan los reactivos, existen llamas de difusión y llamas de premezcla.

Llamas de Difusión

Se aporta solo combustible, y el comburente se incorpora debido al movimiento de la llama (difusión de especies). La combustión es más incompleta y se producen más inquemados. Predomina el color amarillo.

Llamas de Premezcla (Fr ≤ 1)

Se aporta una mezcla de combustible y comburente a un cierto dosado. La combustión es más completa, y el color predominante es azulado.

Llamas de Premezcla Parcial (Fr > 1)

Similar a la premezcla, pero se crean dos llamas:

• Llama Interior (Premezcla): Análoga a una llama de premezcla, pero con menor T_llama. De ella salen gases comburentes y combustible, pero sin oxígeno.
• Llama Exterior (Difusión): La T_llama corresponde a una llama de premezcla con Fr = 1.

Estabilidad y Color de la Llama

Problemas de Estabilidad

• Retroceso de Llama: Velocidad del frente (V_frente) muy elevada.
• Despegue de Llama: Velocidad del frente de llama muy lenta.

Características Cromáticas y Transferencia de Calor

Color Naranja/Amarillo

Típico de llamas por difusión o premezcla parcial. Emite mucho calor por radiación.

Color Azul

Típico de llamas por premezcla. El calor por radiación es menor que en las llamas naranjas, disipando más energía por convección.

Nota: Una llama de premezcla que presenta color naranja indica un problema en el proceso.

Cuanto mayor es el exceso de aire, mayores son las pérdidas de los productos por combustión y menores las pérdidas por inquemados.

Características de los Combustibles según su Estado

Combustibles Sólidos

Presentan problemas de transporte, alto contenido de azufre e inertes. La Gasificación transforma el carbón en gas combustible mediante oxidación parcial.

Combustibles Líquidos

Derivados del petróleo (Fuel-oil y Gas-oil). La calidad de combustión es mejor que la de los sólidos (S) pero peor que la de los gases (G). El Poder Calorífico (PC) es mayor que el de S, pero menor que el de G.

Combustibles Gaseosos

GLP y Gas Natural. Su principal problema es la baja densidad, lo que hace necesario licuarlos para su transporte. Poseen altos Poderes Caloríficos (PC), ofrecen combustiones muy buenas y permiten eliminar la totalidad del azufre (S) con un tratamiento adecuado.