Proceso de combustión“El fogón representa una

tecnología tan antigua como el descubrimiento del fuego y la

civilización”

• Cocinar requiere de la transformación de la energía potencial del combustible en energía calorífica.

• Para mejorar la eficiencia necesitamos entender como el calor se transmite, se libera en la combustión y como puede minimizarse la perdida de calor.

EFICIENTE COMBUSTION

EFICIENTE TRANSFERNCIA DE CALOR

MENOR EMISION DE CONTAMINANTES

MENOR CONSUMO DE COMBUSTIBLE

Elementos básicos para la combustión

oxigeno combustible

calor

• Como resultado de esta reacción se generan calor, luz, humo y productos de la combustión

• El humo está constituido por gases tóxicos y asfixiantes y además por partículas de hollín. Los productos de la combustión completa son CO2 y H2O(v) . El fuego que posee temperatura y buenas condiciones de ventilación, generalmente es similar a la combustión completa. Casi todo el carbón es convertido en CO2, y todo el hidrógeno en H2O(v). Además, se producen otros óxidos como NOx y SOx (que varían de acuerdo a la composición del combustible). En el caso de la madera el contenido de azufre es mínimo y  además no se favorece la generación de NOx, ya que la temperatura a la cual se produce la combustión no es tan alta como en el caso del gas natural.

• No existen diferencias significativas entre los tipos de madera. Los principales elementos presentes son: carbono, hidrógeno, oxígeno y pequeñas cantidades de nitrógeno y azufre. El análisis químico de la madera ( duras y blandas ), es aproximadamente la siguiente: carbono, 49 – 50%; hidrógeno, 6%; oxígeno, 43 – 44%, nitrógeno 0.1 – 1%, azufre 0.01 – 0.05%

• El bajo contenido de azufre de la leña representa un factor favorable respecto a los combustibles líquidos (diesel, kerosene, fuel oil) y al carbón mineral, lo que disminuye el riesgo de contaminación por óxidos de azufre.

• Principalmente, la atención se ha centrado sobre las partículas MP10 que pueden ser inhaladas con facilidad. Actualmente nuestro país aún no cuenta con una normativa en cuanto a las partículas MP2.5; esperando que en un mediano plazo se formule una norma que permita su control.

• Además de componentes orgánicos, existen mínimas cantidades de sustancias minerales, principalmente Ca, K y Mg, que se encuentran en la ceniza. Los componentes inorgánicos generalmente constituyen del 0,2 al 1%, aunque se han reportado valores mayores. Generalmente existen cantidades traza (<100 ppm) de P, Na, Fe, Si, Mn, Cu, Zn, y quizás otros elementos8. Los principales componentes orgánicos como celulosa, lignina, hemicelulosa, y pequeñas cantidades de otros materiales comprenden del 5 al 10% en peso. La celulosa, el principal componente, constituye aproximadamente el 40 - 45% en peso de la madera. Lignina constituye del 23% al 33% en leñas blandas y del 16% al 23% en las duras.

Contenido de Humedad• Respecto al contenido de agua en la leña, puede decirse

que es un aspecto importante, ya que influye directamente en el proceso de combustión. La humedad de la leña se almacena en las cavidades de las células muertas o en el interior de las paredes celulares. La leña recién cortada de especies arbóreas  como pino insigne, puede alcanzar valores de humedad del 115% hasta un 190% en base seca. Después de expuesta a la intemperie, su contenido de agua disminuye a un valor de equilibrio con la humedad ambiental comprendido en el rango del 15 al 25% en base húmeda.

Poder Calorífico• La principal característica de un combustible es su

poder calorífico, que corresponde a la cantidad de energía que se produce en la combustión completa de una unidad de masa o de volumen. Esta propiedad depende de las características químicas del combustible y se clasifica como poder calorífico superior (PCS) e inferior (PCI). El PCS considera el calor generado por la condensación del vapor de agua presente en los productos de combustión, mientras el PCI no lo considera.

Etapas del Proceso de Combustión

1. Secado (Calentamiento y Evaporación del Agua)

En esta etapa se produce el calentamiento superficial de la leña a partir del calor emitido por radiación desde las llamas, como consecuencia de este proceso comienza la evaporación del agua contenida en la madera. En alto contenido de humedad, mayor será el consumo energético en esta etapa y por lo tanto más lenta será la fase de calentamiento. Es importante considerar que un alto contenido de humedad disminuirá la temperatura de combustión produciendo un incremento de las emisiones contaminantes generadas respecto a la leña seca.

Características del proceso de combustión

• La combustión es una combinación de O2 con un combustible, produciendo la liberación de energía en forma de calor.

Figura 1. Etapas típicas de la combustión de madera

Quemado del Carbón Residual

• El material remanente (carbón de madera) formado es altamente reactivo debido a los radicales atrapados y a su porosidad. Esto significa que posee una gran área superficial que le confiere un alto poder de adsorción.

Pirólisis• La pirolisis se define como la degradación térmica de una

sustancia en ausencia o con una cantidad limitada de O2. Por efecto de la temperatura, los compuestos orgánicos son fragmentados parcialmente hacia moléculas más pequeñas e inestables. La pirolisis se lleva a cabo habitualmente entre 400 ºC y 800 ºC.

• Los productos de la pirólisis (coque y volátiles) se queman de forma distinta. El quemado del carbón (coque) para formar CO2 en presencia de suficiente O2 y altas temperaturas, se conoce como combustión incandescente. Cuando la temperatura es muy baja o hay insuficiente O2 para la combustión completa se produce humareda (emisiones de productos de pirólisis no oxidados). El quemado de los volátiles se conoce como combustión en llamas.

Combustión Lenta

• Este modelo de calefactor posee una cámara de combustión construida con planchas de acero soldadas y dispone de un visor de vidrio. Posee sellos de aire adecuados en las puertas que permiten regular completamente la cantidad de aire de combustión que ingresa al hogar.

Combustión Lenta con Doble Cámara

• Modelo de calefactor similar al anterior, pero posee una doble cámara de combustión con suministro dosificado de aire secundario. Con esta segunda cámara se logra realizar una combustión completa, reduciendo la emisión de gases y partículas no quemadas.  

Detalles de una estufa con doble cámara:

• Cada cámara tiene su propio ingreso de aire (T1>T2).

• En la 1a Cámara se ingresa los leños. La llama es de color amarillo (550oC)

• En la 2a Cámara los gases de la primera se queman con llama azul (800oC)

Etapas de la combustión de leña

• La leña no es un combustible homogéneo como el petróleo o el gas natural. En comparación a combustibles líquidos y gaseosos, en el proceso de combustión de la madera se identifican varias fases de reacción

Secado de la leña:• Inicialmente la superficie exterior de leña recibe

calor por radiación de las llamas, calentando el agua contenida en la madera por sobre su punto de evaporación. En este momento se inicia el proceso de secado, liberando la humedad en forma de vapor de agua. Este proceso de secado consume una fracción importante de la energía liberada en el proceso de combustión. Mientras mayor sea el contenido de agua inicial, una mayor cantidad de energía se consumirá en este proceso de secado y mas lento se torna la primera etapa de calentamiento de la leña. 

Gasificación y oxidación de la materia volátil:

• Al calentarse la madera seca por encima del punto de ebullición del agua, se inicia la segunda fase de pirolisis con la liberación de la materia volátil. En esta etapa, la leña comienza a humear.

• El humo es el resultado visible de la descomposición térmica de la madera y se compone principalmente de una nube de gotitas combustibles de gases e hidrocarburos (alquitrán).

• Este proceso de combustión con liberación de calor produce llamas largas y brillantes, que son características de la combustión de la leña seca. El humo además representa una pérdida de eficiencia, porque contiene una gran parte de la energía presente en la madera

Quemado del carbón residual:• Al liberarse completamente la materia volátil de la

madera, permanece como producto residual el carbón sólido junto a la ceniza no combustible. Este compuesto sólido equivale al carbón de madera y se caracteriza por su combustión superficial con un resplandor rojo y llama muy pequeña generando una alta temperatura entre 600 y 1.000 ºC. El carbón es un combustible limpio que se quema fácilmente con presencia de suficiente oxigeno sin generar humos.

• En la práctica, las tres fases de combustión de madera anteriormente descritas ocurren simultáneamente. Esto significa que los gases de la materia volátil pueden estar quemándose con largas llamas mientras que sobre la superficie del combustible el carbón se quema con el característico resplandor rojo y el agua en el centro de la leña se evapora lentamente.

• Para lograr una combustión completa de los productos de la descomposición térmica de la madera se requieren las siguientes condiciones que se resumen en la regla 3T’s conocida por los especialistas en combustión:

Temperatura

• La temperatura mínima que se requiere mantener al interior de un hogar para garantizar la combustión completa de los productos gaseosos debe ser lo mas alta posible. En la literatura se indican valores promedios en la zona de combustión de mínimo 800 ºC a máximo 1.000 ºC.

Tiempo

• Para lograr una combustión completa se debe garantizar un tiempo mínimo de residencia de los gases al interior del hogar. Por ejemplo, si se presentan temperaturas mayores a 900 ºC, el tiempo de residencia mínimo debe superar los 0,5 segundos.

Turbulencia• Para intensificar este proceso de mezcla se

acostumbra inyectar aire secundario precalentado directamente en la zona de combustión por encima de la cama de combustible.

• Solamente si se cumple con estas tres reglas básicas de temperatura mínima, tiempo de residencia mínimo y alta turbulencia se puede generar las condiciones para realizar una combustión óptima de la leña con la mínima emisión de contaminantes.

• El desafío de un diseño óptimo de una estufa o una cocina es conjugar estas tres condiciones básicas permitiendo garantizar siempre una combustión completa, minimizando las emisiones de contaminantes. En especial se deberá considerar las características de humedad, densidad, tamaño y especie de madera para dimensionar correctamente el volumen y forma de la cámara de combustión. Sólo de esta forma se podrán lograr altas eficiencias y gases de combustión limpios sin la presencia de humos visibles.

Combustión residencial de leña

• La combustión inadecuada de leña se relaciona tanto con problemas ambientales locales (contaminación atmosférica por material particulado) como globales (efecto invernadero) debido a que genera sustancias contaminantes, como los compuestos orgánicos volátiles (COVs) y los hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAPs) que producen el deterioro de la calidad del aire.

• Los COVs abarcan miles de especies químicas que son tóxicas para la salud, o bien son precursoras de oxidantes fotoquímicos responsables del smog. Esto se debe a que reaccionan con óxidos de nitrógeno (NOx) en presencia de luz solar, y que contribuyen al efecto invernadero y/o la degradación de la capa de ozono estratosférico.

• El combustible leña en sí no contiene HAPs, sino que estos compuestos pueden formarse mediante un proceso denominado pirosíntesis. La presencia de lignina, el único compuesto aromático en la leña, incrementa la formación de HAPs durante su combustión

• Monóxido de carbono (CO) es, sin duda, una de las sustancias características resultantes de la combustión incompleta de hidrocarburos. Es un gas invisible, inodoro y muy venenoso tanto para animales como humanos, ya que impide el transporte de O2 hacia órganos y tejidos. Su toxicidad se debe a la capacidad de unirse con fuerza a la hemoglobina siendo 210 veces mayor la afinidad de ésta por CO que por O2.

• Respecto al material particulado (MP) la Comisión Nacional del Medio Ambiente (CONAMA) lo define como aquellas partículas sólidas o líquidas, como polvo, cenizas, hollín, partículas metálicas, cemento o polen que se encuentran dispersas en la atmósfera. Este material particulado respirable se clasifica de acuerdo a dos tamaños: MP10 y MP2.5. El primero es aquel que está constituido por partículas gruesas cuyo diámetro es menor a 10 mm en su mayoría alcalinas producto de la combustión no controlada.

• El segundo tamaño, de diámetro inferior a 2.5 mm, agrupa a partículas generalmente ácidas, que contienen hollín y otros derivados de las emisiones vehiculares e industriales, y corresponde a la fracción más pequeña y agresiva debido a que éstas son respirables en un 100% y por ello se alojan en bronquios, bronquiolos y alvéolos.

Transferencia de calor En física, proceso por el que se intercambia energía en

forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación.

El calor puede transferirse de tres formas: por

conducción, por convección y por radiación.

CONDUCCIÓN• En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es

la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. No se comprende en su totalidad el mecanismo exacto de la conducción de calor en los sólidos, pero se cree que se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor.

• El factor de proporcionalidad se denomina conductividad térmica del material. Los materiales como el oro, la plata o el cobre tienen conductividades térmicas elevadas y conducen bien el calor, mientras que materiales como el vidrio o el amianto tienen conductividades cientos e incluso miles de veces menores; conducen muy mal el calor, y se conocen como aislantes. En ingeniería resulta necesario conocer la velocidad de conducción del calor a través de un sólido en el que existe una diferencia de temperatura conocida. Para averiguarlo se requieren técnicas matemáticas muy complejas, sobre todo si el proceso varía con el tiempo; en este caso, se habla de conducción térmica transitoria. Con la ayuda de ordenadores ( computadoras) analógicos y digitales, estos problemas pueden resolverse en la actualidad incluso para cuerpos de geometría complicada.

CONVECCIÓN• Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un

líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir.

• Supongamos, por ejemplo, que calentamos desde abajo una cacerola llena de agua. El líquido más próximo al fondo se calienta por el calor que se ha transmitido por conducción a través de la cacerola. Al expandirse, su densidad disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte del fluido más frío baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación.

• El líquido más frío vuelve a calentarse por conducción, mientras que el líquido más caliente situado arriba pierde parte de su calor por radiación y lo cede al aire situado por encima. De forma similar, en una cámara vertical llena de gas, como la cámara de aire situada entre los dos paneles de una ventana con doble vidrio, el aire situado junto al panel exterior —que está más frío— desciende, mientras que al aire cercano al panel interior —más caliente— asciende, lo que produce un movimiento de circulación.

RADIACIÓN• La radiación es un término que se aplica genéricamente a

toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas.

• Por eso, aunque un cubito de hielo emite energía radiante de forma continua, se funde si se ilumina con una lámpara incandescente porque absorbe una cantidad de calor mayor de la que emite.

• Las superficies opacas pueden absorber o reflejar la radiación incidente. Generalmente, las superficies mates y rugosas absorben más calor que las superficies brillantes y pulidas, y las superficies brillantes reflejan más energía radiante que las superficies mates. Además, las sustancias que absorben mucha radiación también son buenos emisores; las que reflejan mucha radiación y absorben poco son malos emisores. Por eso, los utensilios de cocina suelen tener fondos mates para una buena absorción y paredes pulidas para una emisión mínima, con lo que maximizan la transferencia total de calor al contenido de la cazuela.