En el negocio del calentamiento de procesos industriales, el término «temperatura de la llama» se utiliza mucho. No se tarda demasiado en darse cuenta de que significa cosas diferentes para cada persona. Para algunos, es la temperatura de la cámara de combustión que ocupa la llama. Para otros, es la temperatura de ese chorro de gases incandescente que sale de un quemador. Para otros, es un número citado con autoridad en un manual, mientras que otros te dirán que ese número nunca se ve en la vida real. En la mayoría de las situaciones prácticas, realmente no importa, siempre y cuando el equipo de tratamiento térmico haga su trabajo. De todos modos, la vida sería más fácil si todo el mundo tuviera un entendimiento común del concepto.
Bueno, aquí va. Pero primero, definiré algunos términos que utilizaré a lo largo del camino.
- Adiabático es un término utilizado para describir una reacción de combustión en la que todo el calor generado se retiene en los productos de la combustión – ninguno se pierde en los alrededores de la llama.
- La disociación es una reacción que implica la ruptura de compuestos químicos. En el caso de la combustión, éstos son el vapor de agua y el dióxido de carbono.
- Estequiométrico no es un vodka de importación. Describe la mezcla correcta de ingredientes en una reacción química. Una vez terminada la reacción, no quedan ingredientes sobrantes. En combustión, la relación estequiométrica también se denomina relación correcta, ideal o perfecta.
Las temperaturas de llama publicadas en las tablas de los manuales suelen ser temperaturas de llama adiabática para la combustión en relación estequiométrica. A menos que se especifique lo contrario, son para combustible quemado en aire, con los ingredientes entrantes a temperatura ambiente. Si cambias la temperatura de los ingredientes o el contenido de oxígeno del aire, cambiarás la temperatura de la llama adiabática. Si busca la temperatura de la llama del gas natural en el aire, probablemente encontrará un valor entre 1.871 y 1.982°C (3.400 y 3.600°F).
Eso no es muy preciso. Si todos los manuales coinciden en las temperaturas del aire y de los gases, en el contenido de oxígeno del aire y en la proporción, ¿cómo es que no pueden precisar la temperatura con mayor exactitud? Fácil: porque la composición química del gas natural varía de un lugar a otro. Algunos componentes del gas arden más que otros. Si el gas contiene más de esos componentes, tendrá una temperatura de llama más alta. Por el contrario, muchos gases naturales contienen pequeñas cantidades de ingredientes inertes como el nitrógeno y el dióxido de carbono. No contribuyen en nada a la combustión y hacen bajar la temperatura de la llama. Para simplificar las cosas a partir de ahora, supondré un gas natural con una temperatura de llama adiabática de 3.600 °F.
Bien, ¿es esa la temperatura que se obtiene si se hace funcionar nuestro quemador en proporción estequiométrica?
No. Será más baja. Por un lado, la disociación eliminará algunos grados de la parte superior. La disociación puede ser vista como una especie de combustión inversa. Te tomas la molestia de mezclar combustible y aire y quemarlos para producir CO2 y vapor de agua, sólo para descubrir que a temperaturas de llama realmente altas, algunos de esos productos de combustión se descomponen en monóxido de carbono, hidrógeno y oxígeno, reabsorbiendo la energía de combustión que emitieron cuando se formaron. Por debajo de la temperatura de la llama de 1.538°C (2.800°F), la disociación no es significativa, pero a partir de ahí, incluso pequeños aumentos de temperatura provocan grandes saltos en la tasa de disociación. Es la clásica situación del círculo vicioso: cuanto más se acerque a la estequiometría, más se calentará la llama. Cuanto más caliente esté la llama, mayor será la disociación, formando cantidades crecientes de productos de combustión no quemados y un mayor arrastre de la temperatura de la llama. En el caso de nuestro gas natural, la temperatura de la llama será de unos 3.450 °F (1.899 °C) después de que la disociación haga su trabajo sucio. La disociación es una de las razones por las que las aplicaciones de combustión «en proporción» suelen funcionar con una pequeña cantidad de exceso de aire: evita que se formen grandes cantidades de monóxido de carbono.
Muy bien, 3.450 °F no está tan mal. Eso es lo que tenemos que trabajar, ¿verdad?
Lo siento, pero si usted mira hacia atrás en la definición de la combustión adiabática, verá que asume que no se pierde calor a los alrededores de la llama, y eso no sucede en el mundo real. Tan pronto como el aire y el combustible empiezan a reaccionar y a crear calor, parte de ese calor se escapa a la cámara de combustión o recinto de calentamiento que lo rodea y a todo el producto y accesorios que contiene. Es como un cubo de agua con un gran agujero en el fondo. No puedes llenarlo porque pierde agua casi tan rápido como la viertes.
Entonces, ¿cuál es el resultado final de la temperatura en los equipos de calefacción industrial?
Depende de varios factores. Los quemadores que mezclan y queman el combustible y el aire rápidamente tienden a desarrollar temperaturas de llama más altas porque consiguen un salto más rápido en la pérdida de calor a su entorno. Las temperaturas de la llama tienden a ser más altas en los procesos de alta temperatura porque el proceso no absorbe el calor de la llama tan rápidamente. La masa de la cámara de combustión y la carga de trabajo expuesta directamente a la llama también juegan un papel importante. Cuanto mayor sea esa masa, más rápido extraerá el calor de la llama. Al fin y al cabo, es raro encontrar una temperatura de llama muy por encima de los 1.788 a 1.816 °C (3.250 a 3.300 °F) en una aplicación práctica de combustión. En las aplicaciones de calentamiento industrial a baja temperatura que interesan a la mayoría de los lectores de Process Heating, 3.000 °F (1.649 °C) puede ser lo mejor que se puede conseguir.
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