Combustión
Se entiende por combustión, la combinación química violenta del oxigeno (o comburente), con determinados cuerpos llamados combustibles, que se produce con notable desprendimiento de calor. Para que se produzca la combustión, las 3 condiciones ya nombradas deben cumplirse, es decir que sea: una combinación química, que sea violenta y que produzca desprendimiento de calor.
Analizaremos una por una:
1) Debe haber combinación química, los productos finales una vez producida la combustión debe ser químicamente distintos a los productos iniciales. Ejemplo: Antes de producirse la combustión tenemos combustible y oxigeno. Producida la combustión ya no tenemos combustible y oxigeno mezclado, sino gases de combustión.
2) La combinación química debe producirse violenta e instantáneamente. Ejemplo: Una lamina de hierro colocada en la intemperie se va a oxidar lentamente, luego de cierto tiempo, al combinarse con el oxigeno del aire. Pero esto no es combustión sino oxidación, porque el desprendimiento de calor se produce muy lentamente después de un tiempo.
3) Debe haber un desprendimiento de calor, se debe liberar cierta cantidad de calor.
Para que se produzca la combustión se necesita oxígeno, el cual se encuentra en el aire, el que desperdiciando los gases que se encuentran en pequeña proporción, esta constituido por 23 % de oxígeno y 77% de nitrógeno.
También es necesario que la temperatura en algún punto de la mezcla de oxígeno y combustible, adquiera un determinado valor.
Una combustión se considera imperfecta, cuando parte del combustible, que entra en reacción, se oxida en grado inferior al máximo, o no se oxida. La combustión es completa cuando el combustible quema en su totalidad, ya sea perfecta o incompleta.
Todos los combustibles utilizados en los diversos procesos industriales están constituidos únicamente por dos sustancias químicas, el carbono y el hidrógeno los cuales están unidos entre sí, formando los diversos combustibles utilizados.
La propagación de calor debe cesar para un valor finito de la velocidad de inflamación. Por lo tanto, la buena combustión esta comprendida dentro de dos valores, límites definidos de la velocidad de inflamación de la llama, y son los llamados límites inferior de inflamación que se produce cuando falta combustible, y límite superior de inflamación que es cuando falta oxígeno.
Cómo se produce la combustión
La forma de producirse la combustión varía según el estado del combustible, lo cual veremos a continuación:
Los combustibles son elementos que se los utilizan en los procesos industriales para la producción de calor. Son formaciones de origen orgánico, animal o vegetal, que sufrieron los efectos de los movimientos y plegamientos terrestres.
Están constituidos principalmente por carbono e hidrógeno, los que según vimos al combinarse con el oxígeno queman, desprendiendo calor.
El carbono es el elemento que constituye el mayor porcentaje volumétrico del combustible, constituyendo el 80 a 90 % volumen del mismo.
El carbono no arde directamente, sino que es llevado al estado de incandescencia por el hidrógeno. El hidrógeno constituye el 5 o 6 % de los combustibles sólidos y el 8 al 15 % de los líquidos.
La presencia del oxígeno en la molécula de combustible, le resta al mismo poder calorífico, ya que, se va a combinar con parte del hidrógeno que tiene, para formar agua.
En el combustible también se puede encontrar el azufre desde 0.5 % en combustible líquidos hasta 1 o 1.5 % en carbones, y el nitrógeno ( en carbones) de 0.7 hasta 9.3 %.
Combustibles sólidos
Por orden de potencial calorífico, los combustibles sólidos más comunes son: el carbón, el coque, la madera, el bagazo de caña de azúcar y la turba. La combustión de estos materiales provoca la descomposición del combustible y la formación de materias volátiles como el gas, que arden con una llama tiznosa.
Los residuos de sólidos carbónicos arden dependiendo de la difusión de oxígeno en su superficie. Esta combustión precisa una temperatura en la superficie que oscile entre 400 y 800 °C, que se puede conseguir por la radiación del calor procedente de un objeto o medio de temperatura elevada. Al quemar combustible en una chimenea, el aire debe ir atravesando el combustible sólido, y la temperatura necesaria se mantiene por radiación entre las partículas.
Al objeto de lograr una combustión más rápida, al carbón se le añade aire y se le trata en un horno. La relación aire-combustible necesaria dependerá fundamentalmente del tipo de combustible empleado; así 1 kg de carbón común bituminoso requiere un mínimo de 11 kg de aire para completar la combustión. En el caso del carbón activado, la temperatura de las llamas puede llegar a los 1.540 °C. Si se quema carbón en polvo fino (polvo de carbón) o un hidrocarburo en circunstancias no controladas, la combustión se produce con gran rapidez, casi como una explosión. Ejemplos de estos procesos de combustión acelerada son los incendios en minas causados por el polvo de carbón.
Combustibles líquidos y gaseosos
Los combustibles líquidos más comunes son el fuel, la gasolina y las naftas derivadas del petróleo. Les siguen en importancia el alquitrán de hulla, el alcohol y el benzol obtenido en el proceso de elaboración de coque. En los hornos fijos se introduce fuel poco volátil en la cámara de combustión a través de unas boquillas, ya sea en presencia de vapor y aire o sin ella. En un motor de combustión interna, los combustibles volátiles como la gasolina o las mezclas de alcohol y gasolina (gasolina reformada) se evaporan y la mezcla penetra en el cilindro del motor, donde la combustión se provoca con una chispa. En el caso de estos combustibles se precisan entre 16 y 23 kg de aire para la combustión de 1 kg de combustible.
En los motores diesel, el combustible se introduce en forma de lluvia atomizada en la cámara de combustión, donde el aumento de temperatura asociado con el nivel de compresión de dichos motores, es suficiente para provocar el encendido.
A los combustibles gaseosos como el gas natural, el gas refinado o los gases manufacturados, se les añade aire antes de la combustión para proporcionarles una cantidad suficiente de oxígeno. La mezcla de aire y combustible surge del quemador a una velocidad mayor que la de la propagación de la llama, evitando así el retroceso de ésta al quemador, pero permitiendo el mantenimiento de la llama en éste. Estos combustibles, en ausencia de aire, arden con llamas relativamente frías y humeantes. Cuando el gas natural arde en el aire alcanza temperaturas que superan los 1.930 °C.
Los cohetes espaciales suelen utilizar combustibles líquidos como el queroseno y la hidracina, y contienen oxidantes como el oxígeno líquido, el ácido nítrico o el peróxido de hidrógeno. Los lanzacohetes militares emplean combustibles sólidos como la cordita, a los que se incorpora oxígeno; éstos arden espontáneamente al calentarse por la radiación de los productos de la combustión.