01 Quimica Y Fisica Del Fuego.pdf

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO, GAS NATURAL Y PETROQUÍMICA

Presentado por: Ing. Guillermo La Rosa Romero

TERMINOLOGÍA BÁSICA

QUÍMICA, FÍSICA Y PRINCIPIOS DEL FUEGO

Química del Fuego 

Es necesario el de conocer y tener presente las definiciones de algunas propiedades físicas y de algunos términos químicos aplicables a la química y física del fuego, para su apropiada aplicación en la mitigación de un accidente o incidente.



Lo que da inicio al fuego son los gases que se forman en la superficie del cuerpo o de la materia.

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

Tenemos los tres estados: Gaseoso, Líquido y Sólido.

a.- Los gases siempre están en recipientes confinados. b.- Los líquidos en algún momento tienen superficies en contacto con el medio ambiente. c.- Los sólidos por su estructura están en contacto con el medio ambiente.

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Peso Específico 

La relación entre el peso de una materia sólida o líquida con el peso (dividido por) de un volumen igual de agua, se llama peso específico. La unidad de las escalas de los hidrómetros o densímetros, más usados se basa en asignar el valor de 1 al peso específico del agua a 4 °C (1 cm3 de agua a 4 °C pesa 1 gramo).

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

Para gases ideales: p.e.a. = PM

RT p.e.a. = Peso específico absoluto (g/cm3) P

= Presión en atmósferas absolutas

M

= Peso molecular (g/mol)

R

= 82.0567 atm.cm3/°K.mol

T

= Temperatura (°K=°C+273.16)

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Densidad Relativa de un Gas 

Constituye la relación entre el peso de un gas y el peso (dividido por) de un volumen igual de aire seco a la misma temperatura y presión. La formula siguiente permite calcular la densidad relativa del gas: (s) = peso molecular (del gas) 29

- siendo 29 el peso molecular del aire seco

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- Siendo 29 el peso molecular del aire seco - Es frecuente el empleo del término densidad relativa, en lugar de peso específico. - La densidad relativa es la capacidad del gas y vapores de asecender o descender en la atmósfera. - Lo que tiene importancia en los incendios y su extinción.

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Flotación 

Es el empuje ascendente ejercido por el fluido (aire) circundante sobre un cuerpo o volumen de fluido. Si la flotación de cierta cantidad de gas es positiva, indica que es más ligero que el fluido (aire) y presentará un empuje ascendente. Si la flotación del gas es negativa, el gas es más pesado y descenderá.

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

La flotación del gas depende tanto de su peso molecular (osea, la densidad relativa del gas) como de su temperatura.



Al escapar del recipiente que lo contiene un gas inflamable cuya densidad relativa sea superior a 1, tiende a descender a un nivel inferior y puede recorrer distancias considerables y alcanzar posibles focos de ignición.

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

Generalmente, un gas es mas ligero cuanto mayor sea su temperatura: su densidad es menor. Por ello, los productos calientes de la combustión tienden a elevarse.

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Tensión Superficial 

Las fuerzas intermoleculares son responsables del comportamiento especial de los líquidos.



Una molécula en el interior del líquido está rodeada completamente de otras moléculas y es atraída en todas las direcciones con la misma intensidad, pero una molécula en la superficie líquida es atraída por las moléculas situadas en la semiesfera normal de atracción.

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

La tensión superficial disminuye al aumentar la temperatura y se hace cero a la temperatura crítica al dejar de existir la sustancia en estado líquido.

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Presión de Vapor 

Las moléculas de un líquido, se mueven en todas las direcciones y con todas las velocidades.



Las moléculas que están en la superficie del líquido y poseen energía suficiente para vencer la atracción de las demás escapan del líquido y se comportan como moléculas gaseosas, el líquido se vaporiza.

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

Si el líquido se encuentra en un recipiente cerrado, el movimiento de dispersión de las moléculas quedarían límitado al espacio del líquido. Al aumentar el número de moléculas que chocan con la superficie del líquido y vuelven a entrar en el, se llega a alcanzar un punto de equilibrio en el que la cifra de moléculas escapadas del líquido iguala a la cifra de moléculas que vuelven a entrar en el mismo.

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

La presión ejercida por el vapor que se escapa en este punto de equilibrio, constituye la denominada PRESIÓN DE VAPOR. Tal equilibrio depende de la temperatura y en volumen constante.

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

La ecuación de Antoine se utiliza en el campo técnico: ln PVL = -a+b T

Siendo: PVL = presión de vapor del líquido absolutas

T

= temperatura absoluta

“a” y “b” dos constantes propias de cada sustancia

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Punto de Ebullición 

Al aumentar la temperatura de un líquido, su presión de vapor se aproxima a la presión atmosférica.



A la temperatura en que la presión del vapor es igual a la presión atmosférica queda neutralizada y se produce la ebullición.

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

Al aire libre, el líquido entrará en ebullición cuando su presión de vapor sea igual a la atmosférica. La temperatura del líquido en ese momento se conoce como punto de ebullición.



Aunque la presión de vapor de un líquido varía según la temperatura del mismo, existen muchos otros factores variables que afectan a la tasa real de evaporación del líquido con el aire.

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

Estre estos valores se incluyen la temperatura atmosférica y la presión atmosférica, la circulación del aire, el calor específico y el calor latente de evaporación.

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Temperatura de Inflamación 

Punto de inflamación = Flash point.



La temperatura más baja o mínima a la cual, bajo condiciones de ensayo determinadas, un material desprende la cantidad suficiente de gases inflamables para producir su inflamación en presencia de una fuente de encendido.



La inflamación es súbita y se apaga cuando se retira la fuente citada.

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

Constituye la característica más importante y para las condiciones de ensayo de un líquido, es la que define si es inflamable o combustible (por debajo o por encima de los 38 °C).

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Temperatura de Ignición 

Punto de ignición = Punto de incendio.



Es la que necesita un líquido contenido en un recipiente abierto para emitir vapores suficientes que mezclados con el aire en proporción suficiente inicie la combustión continuada, por una fuente de ignición ajena al mismo (chispa, llama, etc.) se denomina ignición provocada.

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

Esta temperatura generalmente es superior en unos cuantos grados a la temperatura de inflamación.



Debe de observarse que la combustión continua aún cuando se retire la fuente de ignición.



La ignición constituye el fenómeno que inicia la combustión.

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Temperatura de Autoignición 

Temperatura de autoignición = Temperatura de autoinflamación.



Temperatura mínima a la que una sustancia es capaz de inflamarse y mantener la combustión, sin necesidad de una fuente de ignición.



Si la ignición no la provoca un foco externo, se denomina autoignición.

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

Es la temperatura más alta de ignición.



La iniciación de la llama se producen en la fase gaseosa.

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Ignición 

Para que las moléculas del combustible y del oxígeno puedan reaccionar químicamente produciendo calor, hay que excitarlas de forma que alcancen un cierto estado de actividad, convirtiendo cantidad suficiente del combustible en vapor creando una mezcla inflamable vapor-aire sobre la superficie, provocada por una fuente de energía térmica.

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

Si la cantidad de combustible y oxígeno es suficiente y el número de especies excitadas es también adecuado, la ignición adopta la forma de una reacción en cadena. Continuando hasta consumirse el combustible u oxidante o se apague por enfriamiento.



En los combustibles líquidos se trata de su proceso de evaporación.

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

En los combustibles sólidos debe de presentarse una descomposición química antes de liberar vapor. Esta temperatura mínima en la que se identifica este fenómeno se llama punto de ignición, pero se debe definir como temperatura superficial.



En la práctica, la temperatura para iniciar la ignición puede estar condicionada por el

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caudal del aire (oxidante), por el grado de calentamiento y por el tamaño y forma del sólido o líquido. 

Esencialmente, la ignición consiste en el aumento de intensidad de calor de un cuerpo por medio de la adición de temperatura.

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Límites de Inflamabilidad Temperatura 

Según muestra la figura, si los combustibles líquidos están en equilibrio con sus vapores en el aire, cada combustible presenta una temperatura mínima por encima de la cual hay vapor en cantidad suficiente para formar una mezcla inflamable vapor-aire. Asímismo, hay una temperatura máxima por encima de la cual la concentración del vapor combustible es demasiado elevado para propagar la llama. Estas temperaturas mínimas y máximas son denominadas respectivamente temperaturas mínimas y máximas de inflamación en el aire. Si las temperaturas son inferiores a la temperatura más baja de inflamación, el vapor del combustible en la fase gaseosa no es suficiente para permitir la ignición homogénea. Las temperaturas de inflamación de un líquido combustible aumentan al hacerlo la presión ambiente.

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Límites de Inflamabilidad Concentración 

Son los límites máximo y mínimo de la concentración de una combustión dentro de un medio oxidante, por lo que la llama una vez iniciada, continúa propagándose.



Por ejemplo, las mezclas de aire e hidrogeno permiten la propagación de la llama si la concentración de hidrogeno se encuentra entre el 4 y 74 por ciento en volumen, 21 °C (70 °F) y a presión atmosférica.

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

La cifra menor corresponde al valor límite mínimo (mezcla pobre) y la cifra mayor corresponde al valor límite máximo (mezcla rica) de la inflamabilidad.



Al disminuir la temperatura, una mezcla inflamable puede dejar de serlo, al quedar situada por encima o por debajo de los límites de inflamabilidad.

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Densidad Relativa Vapor - Aire 

La densidad vapor-aire es el peso de una mezcla de vapor y aire como resultado de la vaporización de un líquido inflamable en condiciones de equilibrio de temperatura y presión, comparado con el peso de un volumen igual de aire en idénticas condiciones.

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

La densidad de la mezcla vapor-aire depende, por lo tanto de la temperatura ambiente, de la presión de vapor y del peso molecular del líquido.



A temperaturas por debajo del punto de ebullición de un líquido, la presión de vapor de dicho líquido puede ser tan baja que la mezcla vapor-aire, formada exclusivamente por aire, tenga una densidad muy próxima a la del aire puro,

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es decir, la densidad relativade la mezcla vapor-aire será próxima a la unidad. Al aumentar la temperatura del líquido hasta la temperatura de ebullición, aumenta la velocidad de evaporización y el vapor desplaza al aire circundante de modo que la densidad relativa de la mezcla vapor-aire se aproxima a la densidad relativa del vapor puro.

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

Las mezclas de vapor-aire cuya densidad sea superior a la del aire a temperatura ambiente descenderá a niveles más bajos. Por otra parte, la difusión y mezcla debido a las corrientes de convección limitará la distancia que recorren las mezclas cuyas densidades sean próximas o inferiores a 1.



La densidad de una mezcla vapor-aire a temperatura ambiente puede calcularse como sigue:

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(dVa) = p*s + P-p P

P



Siendo P la presión ambiente, p la presión del vapor de la sustancia a temperatura ambiente y “s” la densidad relativa de su vapor puro.



El primer término (ps)/P es la aportación del vapor del producto a la densidad relativa de la mezcla.



El segundo miembro (P-p)/P es la aportación del aire.

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FASES DE LA COMBUSTIÓN

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Combustión 

La combustión es una reacción exotérmica autoalimentada con presencia de un combustible en fase sólida, líquida y/o gaseosa.



El proceso está generalmente (aunque no necesariamente) asociado con la oxidación de un combustible por el oxígeno atmosférico con emisión de luz.

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

La combustión es el conjunto de procesos físico-químicos por los cuales se libera parte de la energía interna del combustible en gran cantidad de calor, que es la que nos interesa.



El verbo que define la combustión es arder.



Generalmente, los combustibles sólidos y líquidos se vaporizan antes de arder. La combustión de una fase gaseosa generalmente se produce con llama visible.

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

Una combustión confinada con una súbita elevación de presión constituye una explosión.

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

Reacciones Oxidantes 

Las reacciones oxidantes relacionadas con los incendios son exotérmicas y muy rápidas, lo que significa que el calor es uno de sus elementos.



A menudo son reacciones complejas y no las conocemos por completo, pero se puede producir dióxido de carbono (CO2) y agua.

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

Una reacción de oxidación exige la presencia de un material combustible y un agente oxidante. Los combustibles son innumerables materiales, que debido a su composición química, se pueden oxidar para producir otros compuestos relativamente estables, como dióxido de carbono y agua. Primer Miembro

Combustible + comburente

Segundo Miembro

Gases de combustión + calor

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

Combustible: Toda sustancia capaz de arder.



Comburente: Sustancia que aporta el oxígeno para que el combustible sufra oxidación. Por ejemplo: C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O



Los hidrocarburos constan únicamente de carbono e hidrógeno y se puede considerar “combustibles prototipo”.

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

Prácticamente todos los combustibles corrientes, sean sólidos, líquidos o gaseosos contienen importantes proporciones de carbono e hidrógeno.



En este contexto, el agente comburente principal más corriente es el oxígeno molecular (O2) del aire, que consta aproximadamente de 1/5 de oxígeno y 4/5 de nitrógeno.

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Fases de la Reacción de Combustión 

Se puede distinguir tres fases en la reacción de combustión:

1.- Fase de pre reacción – Formación de radicales

Los compuestos hidrocarbonados se descomponen dando lugar a la formación de radicales, que son compuestos intermedios inestables y muy activos, de este modo el carbono y el hidrogeno pueden reaccionar con el oxígeno.

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2.- Fase de Oxidación En esta fase se producen la combinación entre los elementos y el oxígeno. Es una fase muy exotérmica y es cuando tiene lugar la propagación de la llama. 3.- Fase de Terminación Aquí es cuando se forman los componentes estables. El conjunto de estos compuestos es lo que llamamos gases de combustión.

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

Debe de haber una gran coordinación entre la 1° y 2° fase, por que la acumulación de radicales puede producir una explosión.

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Clases de Reacciones de Combustión 

Se clasifican en:

a)

Combustión NEUTRA o estequiométrica

b)

Combustión INCOMPLETA

c)

Combustión COMPLETA

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

Combustión Neutra: 

Es aquella que se produce cuando el áire aporta la cantidad justa de oxígeno para que todos los reactivos se transformen en productos.



Para que la estequiometria se cumpla hay que considerar TODOS los elementos que sufren la reacción de combustión en el combustible.

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

Cuando la reacción tenga lugar totalmente, no habrá presencia de H, O; S y C, que se transformaran en productos correspondientes que irán en los gases de combustión.



Como inerte aparecerá el hidrógeno.

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

Combustión Incompleta: 

Es aquella en la que el aire no proporciona el oxígeno necesario para que se produzca la oxidación total, no transformándose todo el carbono en CO2 estando presente como producto de la combustión el CO, resultando los humos de combustión con presencia de gases tóxicos y hollín dando el ennegrecimiento de los humos.

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

Combustión Completa: 

Para que se produzca una combustión completa es necesario la presencia de un exceso de oxígeno sobre la cantidad estequiométrica, para que los productos combustibles sufran una oxidación completa, es muy difícil que esto se presente, por la presencia de la reacción en cadena.

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

Los materiales combustibles arden de manera diferente según sea su estado físico de agregación:

A) Los sólidos según dos modalidades - Combustión sin llama del sólido: Es frecuente denominarla incandescente, también se le conoce como combustión en brasa. - Combustión con llama, de los vapores inflamables de pirolisis. Esta es una descom-

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Posición térmica del sólido, por efecto del calentamiento debido a la propia combustión, que genera gases y vapores, algunos de los cuales pueden ser inflamables. B) Los líquidos no arden. Si lo hacen según sus vapores generados en su evaporación. C) Los gases y vapores inflamables arden, en la propia fase gaseosa, con emisión de llama.

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Esta manifestación se debe a que parte de la energía térmica liberada por la combustión se emite, en forma de energía radiante visible.

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Productos de la Combustión 

Son cuatro las categorías de los productos de combustión:

1) Gases del fuego 2) Llamas

3) Humo 4) Calor 

Todos los productos se producen en diversos grados en todos los fuegos.

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

El material o materiales que participan en el incendio y las reacciones químicas resultantes producidas por el fuego, determinan los productos de la combustión.

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Gases del Fuego 

La cantidad y el tipo de gases del fuego que se encuentran presentes durante y después de un incendio, varían en gran medida de acuerdo con la composición química del material quemado, la cantidad de oxígeno disponible y la temperatura.



En un incendio suele haber varios gases. Los que comúnmente se consideran letales son: monóxido de carbono, bióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, bióxido de

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azufre, amoniaco, cianuro de hidrógeno, cloruro de hidrógeno, bióxido de nitrógeno, acroleína y fosgeno. 

La principal causa de pérdidas de vidas en los incendios es la inhalación de gases y humo caliente, tóxicos y deficientes en oxígeno.

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

Llama: 

La combustión o quemado de los materiales en una atmósfera rica en oxígeno suele ir acompañada de llamas.



Es por eso que las llamas se consideran un producto propio, característico de la combustión.



Las quemaduras pueden ser consecuencia del contacto directo con las llamas o del calor irradiado de las mismas.

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

Son raras las ocasiones en que se separan una distancia apreciable de los materiales de combustión.

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

Humo: 

Es una materia que consiste en partículas sólidas muy finas y vapor condensado.



El humo aparece por una combustión incompleta y está constituído por pequeñas partículas que se hacen visibles, variando éstas en su color, tamaño y cantidad, pudiendo llegar a impedir el paso de la luz.

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

El humo puede ser también inflamable cuando cuenta con la adecuada proporción de calor y oxígeno.



El color del humo puede suministrar algunos datos de cómo se está desarrollando el incendio:

• Color blanco o gris claro: combustión libre. • Color negro o gris oscuro: en general, indica un fuego muy caliente con falta de oxígeno.

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• Color amarillo, rojo o violeta: en general, indica presencia de gases tóxicos.

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

Calor: 

Es el producto de la combustión que es más responsable de la propagación del fuego.



La exposición al calor de un incendio afecta a las personas en proporción directa a la distancia de la exposición y a la temperatura del calor.

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

Los peligros de exponerse al calor de un incendio varían desde las lesiones menores hasta la muerte.



La exposición al aire caliente aumenta el pulso cardíaco y provoca deshidratación, cansancio, obstrucción del tracto respiratorio y quemaduras.

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Calor de Combustión o Poder Calorífico 

Calor de combustión: Cantidad de calor que se origina en la combustión de una unidad de masa de un combustible (Kcal/Kg). Suele terminar un valor muy elevado.



Es decir cuando el carbono pase a anhídrido carbónico C + O2

CO2

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

En la combustión de los combustibles que contienen H2 se produce vapor de agua; el poder calorífico de un combustible depende de que este vapor de agua permanezca en estado gaseoso o condense pasando al estado líquido.



El calor de combustión de un combustible puede ser:

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1.- Calor de combustión inferior (CCI) o (PCI) Se considera que el vapor de agua contenido en los gases de la combustión no se condensan. 2.- Calor de combustión superior (CCS) o (PCS) El vapor de agua contenido en los gases de combustión se condense pasando al estado líquido.

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

Poder Calorífico Inferior: 

Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua de la combustión, ya que no se produce cambio de fase, sino que se expulsa en forma de vapor.



Se considera que el vapor de agua contenido en los gases de la combustión no condensa.

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

Por lo tanto no hay aporte adicional de calor por condensación del vapor de agua.



Solo se dispondrá del calor de oxidación del combustible, al cual por definición se denomina: PODER CALORÍFICO INFERIOR DEL COMBUSTIBLE.

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

Para obtener el Poder Calorífico de un combustible es necesario que todo el carbono (C) se oxide en forma completa pasando a anhídrido carbónico (CO2). C/H2 + O2/N2

combustible

aire

CO2/H2O/N2 + CALOR gases de combustión CALOR DE OXIDACIÓN DEL COMBUSTIBLE

EL VAPOR DE AGUA CONTENIDO EN LOS GASES DE COMBUSTIÓN NO CONDENSA.

PODER CALORÍFICO INFERIOR

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

Calor de Combustión Superior (CCS) o (PCS): 

Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa del combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado; así pues, se contabiliza el calor desprendido en este cambio de fase. También es llamado poder calórico neto.

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

El vapor de agua condensada proviene:

a) La humedad propia del combustible. b) El agua formada por la combustión del hidrógeno del combustible. 

Al condensar el vapor de agua contenido en los gases de combustión tendremos un aporte de calor: 597 Kcal/Kg vapor de agua condensado

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

Para obtener el Poder Calorífico de un combustible es necesario que todo el carbono (C) se oxide en forma completa pasando a anhídrido carbónico (CO2). C/H2 + O2/N2 Combustible

aire

CO2/H2/N2 + CALOR +

calor

gases de combustión

CALOR DE OXIDACIÓN DEL COMBUSTIBLE

EL VAPOR DE AGUA CONTENIDO EN LOS GASES DE COMBUSTIÓN CONDENSA

CALOR DE CONDENSACIÓN DEL VAPOR DE AGUA PODER CALORÍFICO INFERIOR

PODER CALORÍFICO SUPERIOR

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

Relación entre los Poderes Caloríficos: PCI = PCS – 597 * G 

Donde:

PCI: Poder calorífico inferior (Kcal/Kgcombustible) PCS: Poder calorífico superior (Kcal/Kgcombustible) 597: Calor de condensación del agua 0°C (Kcal/Kg de agua)

G: % en peso del agua formada por la combustión del H2 más la humedad propia

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del combustible (Kg agua/Kg comb) G = 9H + H2O Siendo: 9 = los kilos de agua que se forman al oxidar un kilo de hidrógeno H = % de hidrógeno contenido en el combustible H2O = % de humedad del combustible

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

Por tanto la ecuación anterior queda: PCI = PCS – 596 * (9H + H2O)

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

Poder Calorífico del Carbono: 

Si el Carbono (C) se combina con suficiente cantidad de oxígeno se quema totalmente formando anhídrido carbónico con desprendimiento de calor. C + O2



CO2 + 8140 Kcal/Kg C

Algunos consideran 8000 Kcal/Kg C; 97000 Kcal/mol; 14000 BTU/Lb.

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

Si el oxígeno disponible para la combustión no fuera suficiente, el carbono se oxida formando monóxido de carbono (CO) con liberación de calor en mucho menos cantidad según la siguiente reacción: C + ½ O2



CO + 2440 Kcal/Kg C

Algunas consideraciones: 29150 Kcal/mol; 3960 BTU/Lb

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

Poder Calorífico del Hidrógeno: 

Poder Calorífico Superior: El hidrógeno se combina con el oxígeno en forma total, dando como resultado agua con desprendimiento de calor: H2O + ½ O2



H2O + 34400 kcal/Kg H2

Este valor incluye el calor cedido por la condensación del vapor de agua formado en la combustión: PCS = 34400 Kcal/Kg H2

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

Poder Calorífico Inferior: Cuando no se puede aprovechar el calor de condensación, al calor liberado en la oxidación del hidrógeno habrá que descontarle el calor que pierde al no condensar el vapor de agua, obteniéndose el poder calorífico inferior del hidrógeno: PCI = PCS – 600 * 9H

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

Se considera que no existe humedad en el combustible, agua es igual a 0 (cero) y el hidrógeno 1 Kg.



Resulta: PCI = 29000 Kg/Kg H2

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

Oxidación del Hidrógeno: 

H2 + ½ O2

H2O



2 Kg H2 + ½ * 32 Kg O2



1 Kg H2 + 8 Kg O2



Ecuación que nos dice:

18 Kg H2O 9 Kg H2O

8 Kg de oxígeno se van a combinar con 1 Kg de hidrógeno para “formar” 9 Kg de agua.

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

Poder Calorífico del Combustible: 

El Método Práctico consiste en el empleo de “Calorímetro” mediante los cuales se puede determinar en forma directa en el laboratorio el poder calorífico de los combustibles.



Los métodos calorimétricos consisten en quemar una cierta cantidad de combustible y medir la cantidad de calor producida a través de la energía térmica ganada por un líquido conocido (agua).

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

En un proceso ideal se cumplirá que:

Calor liberado por el combustible = Calor ganado por el agua

Qcombustible = Qagua

Qcombustible = magua*Cpagua(tfinal – tinicial)