termicos

Capitulo 15

Procesos de combustion: caracteristicas

Procesos de combustidn
Tal vez el proceso tCrmico de mayor inter& prictico por su escala de utilizaci6n mundial,
siendo a la vez muy ficil de realizar y muy dificil de estudiar, sea el proceso de reacci6n
quimica exot6rmica automantenida por conducci6n de calor y difusi6n de especies, conocido
como combusti6n.
Sus aplicaciones sepueden resumir en:
- calefaci6n de habiticulos (hogueras, estufas, calderas),
- producci6n de electricidad (centrales tCrmicas),
- propulsi6n (motores alternativos, turbinas de vapor, turbinas de gas),
- proceso de materiales (reduccibn de bxidos, fundicidn, cocci6n),
- eliminaci6n de residuos (incineraci6n de basura),
- producci6n de frio (frigorificos de absorcibn),
- control de incendios(barreras cortafuegos, materiales ignifugos),
- iluminaci6n (hasta finales del siglo XIX era el 6nico mCtodo de luz artificial).
El proceso de combusti6n es el mis importante en ingenieria porque todavia hoy, aunque
tiende a disminuir (96% en 1975, 90% en 1985 y 4 0 % en 1995), la mayor parte de la
producci6n mundial de energia se hace por combusti6n de petrbleo, carb6n y gas natural. Y
no ~610importante el estudio de la combusti611 controlada de 10s recursos primaries usados
es
en la producci6n de trabajo y calor, sin0 que tambiCn es precis0 estudiar 10s procesos de
combusti6n incontrolada (fuegos) para tratar de prevenirlos y luchar contra ellos. AdemBs,
cada vez va siendo msis importante analizar la combusti611 controlada de materiales de
desecho (incineracibn), con el fin deminirnizar la contaminacidn ambiental.
La combusti6n (quemar algo) es un proceso tan ficil de realizar porque genera mucha
entropia y por tanto su viabilidad (tendencia a reaccionar) es muy alta; mucha energia
ordenada en 10s enlaces quimicos pasa bruscamente a energia tCrmica (desordenada) de las
particulas producidas. De hecho, el mundo que nos rodea esti integrado por mezclas
reactivas (p.e.el mobiliario o la vestimenta y el oxigeno del aire ambiente) en equilibrio
metastable, y a veces basta con forzar localmente la reacci6n (chispa) para que se
autopropague, normalmente formando un frente luminoso (llama). Sin embargo, el proceso
de combusti6n es dificil de analizar por 10s siguientes motivos:

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I. Martinez: TERMODINAMICA BASlCA Y APLICADA

- es un procesomultidisciplinario (termoquimico-fluidodinhico)fuertemente acoplado,
- 10s pmesos de transporte de especies y calor (fen6menos de no equilibrio) son
dominantes,
- la fuerte exotermicidad da lugar a altas temperaturas, enormes gradientes (llama), e
importantes fuerzas de flotabilidad por dilataci6n diferencial,
- 10s enormes gradientes espaciales y 10s cortos tiempos de residencia en ellos provocanestados de no equilibrio local (quirniluminiscencia, ionizaci6n).
El c d c t e r multidisciplinario del proceso de combusti6n demanda un vasto soporte de
ciencias biisicas:
la Termodinbica, que ensefia si el proceso es viable y predice la composici6n final,
la energia liberada y la temperatura alcanzada en el equilibrio;
- la CinCtica quimica, que trata de predecir el mecanismo detallado de lareacci6n, la
velocidad de reaccibn, el por quC se producen radicales luminiscentes e ionizados,
etc;
- la Transmisi6n de calor y de masa, que ensefia c6mo se difunden la energia tCrmica y
las especies; y
- la Mechica de fluidos, que, con 10s datos de las anteriores, ensefia a establecer 10s
balances de flujos apropiados para permitir, al menos te6ricamente, abordar la
soluci6n del problema.-

AdemSis, la simulaci6n numCrica en ordenador es muy dificil por 10s 6rdenes de magnitud tan
dispares de las variables y las mdltiples escalas espacio-temporales que aparecen, y la
experimentaci6n a alta temperatura en regiones submilim6tricas m6viles todavia es d s
complicada.
Este amplio soporte necesario para el andisis cientifico de la combusti6n es la causa de que
en muchos casos...