Generación de calor:

— Productos de la combustión. Control de la combustión.

— Generadores de calor:
• Rendimiento de equipos de generación de calor, calderas (convencionales, baja temperatura y
condensación, entre otras).
— Radiación solar.
— Principio de funcionamiento de los captadores solares térmicos:
• Disposición y orientación de captadores solares térmicos.
• Cálculo de superficies de captación.
• Rendimiento de captadores, entre otros.
• Aplicaciones de los captadores solares.

1. COMBUSTIÓN Y COMBUSTIBLES

1.1. La combustión. Tipos de combustión

La combustión es una reacción química entre dos sustancias, combustible y comburente, en la que se libera
energía, en forma de calor principalmente.
Los componentes del combustible susceptibles de ser quemados (carbono, hidrógeno y azufre) se oxidan al
combinarse con el oxígeno que aporta el comburente. Generalmente se utiliza el aire como comburente,
que además de oxigeno (21%), aporta a la reacción otros elementos, como el nitrógeno (78%), vapor de
agua, dióxido de carbono y gases nobles en pequeñas proporciones (1% restante).
El proceso de combustión se inicia con la aplicación de una fuente de calor a una mezcla lo suficientemente
rica de combustible y comburente, produciéndose una reacción rápida de oxidación del combustible, que se
manifiesta en forma de llama.

Tabla con las reacciones básicas de oxidación de los componentes del combustible

Dependiendo de las proporciones en que intervienen el combustible y el comburente en la reacción de

combustión, podemos definir tres tipos de combustiones:

 Combustión incompleta: es la que se produce con defecto de oxígeno, al aportarse a la reacción de

combustión una cantidad de aire menor a la necesaria para quemar completamente el combustible
disponible.
Este tipo de combustión favorece la formación de monóxido de carbono (CO), en lugar del dióxido
de carbono (CO2) que se produce en las combustiones completas.
Además de producir un gas altamente tóxico, resulta antieconómica al quedar restos de combustible
sin quemar que se eliminan con los humos.

 Combustión completa: la reacción de combustión completa es la que se produce con un exceso de

oxígeno, lo que garantiza la combustión total del combustible.
De esta forma se aprovecha al máximo el combustible disponible, pero se generan pérdidas de
calor, al eliminarse mayor cantidad de gases junto con los humos.

 Combustión neutra (o estequiométrica): en este tipo de combustión se aporta a la reacción la

cantidad de aire estrictamente necesaria para quemar completamente todo el combustible
disponible.

En la práctica, se trata de conseguir combustiones completas, que se aproximen a ala combustión neutra.
Hay que tener en cuenta que para favorecer la reacción de combustión, debe mezclarse lo mejor posible el
combustible con el comburente, y esto resulta más fácil cuanto mayor es la cantidad de aire que se aporta a
la combustión.
Para determinar el exceso de aire que se aporta a la combustión se utiliza el coeficiente de exceso de aire,
que se define como la relación entre la cantidad de aire introducida y la estrictamente necesaria para llevar
a cabo la combustión.

Dependiendo del tipo de combustible, se recomienda un valor para el coeficiente de exceso de aire:

1.2. Productos de la combustión. El triángulo de la combustión (diagrama de Ostwald). Pérdidas de calor.

Como resultado de la combustión se genera, además de energía, una serie de residuos o productos
contaminantes, que se eliminan en forma de humo y cenizas, y que pueden ser:

Restos de combustibles no quemados (Hidrocarburos, H2O2,…) o parcialmente quemados (CO y partículas

de carbono sólidas no quemadas) resultado de combustiones incompletas.

 Impurezas presentes en el combustible, quemadas o no (SO2, cenizas,…).

 Componentes del aire, quemados o no (NO, NO2, O2, N2…).
 Componentes del combustible quemados (CO2 y H2O).
 Cada uno de estos productos tiene unas propiedades distintas, que lo hacen más o menos
perjudiciales para el entorno (contaminación atmosférica) o para la propia instalación de producción
de calor:
 Dióxido de Carbono (CO2): gas responsable del efecto invernadero.
 Monóxido de Carbono (CO): gas muy tóxico procedente de combustiones incompletas.
 Dióxido de azufre (SO2): resultado de la oxidación del azufre presente como impureza en el
combustible, que en contacto con el agua procedente de las condensaciones o con la humedad
ambiental puede formar ácido sulfúrico, que puede dañar gravemente los componentes de la
instalación. Es el responsable de la lluvia ácida.
Si se analiza la composición porcentual de los humos resultantes de la combustión, es posible representar
gráficamente el resultado obtenido y dibujar así el denominado triángulo de la combustión, que resultará
distinto para cada combustible.

En está gráfica podemos definir los siguientes elementos:

 Recta de combustión perfecta: representa la línea en la que todo el carbono se quema y se
transforma en CO2.
 Rectas de igual contenido de CO: son líneas paralelas la recta de combustión completa que
permiten determinar la cantidad de CO que se produce cuando la combustión es incompleta.
 Rectas de igual exceso de aire: nos indican el coeficiente de exceso de aire de la combustión,
siendo la más importante de todas ellas la línea de aire, que divide la gráfica en dos zonas, la que
corresponde a combustiones que se verifican con exceso de aire y las que corresponde a
combustiones con defecto de aire.
A partir de esta gráfica se puede determinar la calidad de la combustión que se está realizando y nos
permitirá tomar las medidas necesarias para mejorarla en caso de que sea necesario.
Para utilizar el triángulo de la combustión es necesario conocer el combustible que se está quemando y los
porcentajes de CO2 y de O2 presentes en el humo resultante de la combustión.

De un punto cualquiera del triángulo, podemos obtener los datos siguientes:

 Porcentaje de dióxido de carbono y de oxígeno presente en el humo.

 Coeficiente de exceso de aire.
 Porcentaje de monóxido de carbono presente en el humo.

No toda la energía liberada en la combustión puede ser aprovechada, ya que se producen unas pérdidas
derivadas del mismo proceso. Estas pérdidas son las siguientes:

 Calor disipado con los gases que intervienen en la reacción de combustión y que se eliminan a
mayor temperatura que la que tenían cuando se han introducido, junto con los humos resultantes.
 Pérdidas de calor por la humedad contenida en el aire y en el combustible utilizado.
  Pérdidas por la presencia de combustible no quemado en los humos.
 Pérdidas por la presencia de partículas de carbono no quemadas que se eliminan en el humo o en
forma de cenizas.

Todas estas pérdidas no se pueden eliminar totalmente pero se pueden reducir si se mejora la calidad de la
combustión, aportando las cantidades de aire necesarias, realizando una buena mezcla entre comburente y
combustible y cuidando la calidad de este último.

1.3. Combustibles

Los combustibles son sustancias de origen natural o artificial con un alto contenido en carbono e hidrógeno,
a los que acompañan impurezas, entre la que podemos destacar el azufre.
Entre los combustibles naturales podemos encontrar la biomasa, biogases y los combustibles fósiles
(carbón y petróleo) que son los más utilizados.
Los combustibles artificiales son los que se obtienen por procesos de destilación, piro-génesis de
combustibles naturales o como subproductos de algún proceso industrial.
Existen diversos criterios para clasificar los combustibles, entre ellos cabe destacar los siguientes:

 Por su estado físico: sólidos, líquidos y gaseosos. Será determinante para establecer la forma en
que se realiza la combustión.
 Por su peligrosidad de manejo: se utiliza para clasificar los hidrocarburos (derivados del petróleo).

Clase A: corresponde a gases licuados del petróleo, cuya tensión de vapor es inferior a 1 kg/cm2 a la
temperatura de 0° C (metano, propano, butano,…).
Clase B: hidrocarburos con punto de inflamación inferior a 55° C y que no están incluidos en la clase A
(gasolina, petróleo y disolventes).
Clase C: hidrocarburos con punto de inflamación comprendido entre 55° C y 120° C (gasoil, diesel y fuel oil).
Clase D: hidrocarburos con punto de inflamación superior a 120° C (asfaltos y lubricantes).
Esta clasificación establece las normas técnicas y de seguridad que deben aplicarse para su manejo,
transporte y almacenamiento. A los hidrocarburos de clase A se les aplica el Reglamento de Combustibles
Gaseosos.
Los de clase B y C se someterán al Reglamento de Combustibles Líquidos.
Para todos los combustibles se definen una serie de características que establecen cuál será su
comportamiento durante el proceso de la combustión:

 Temperatura de inflamación: temperatura mínima hasta la que hay que calentar el combustible, para
que se inicie la reacción de combustión.
 Temperatura de ignición: temperatura necesaria para que la llama originada por la combustión sea
duradera y persistente, mientras quede combustible.
 Poder calorífico: calor producido por la combustión completa de la unidad de masa del combustible;
se expresa en Julios/kilogramo.
 Poder calorífico superior: calor cedido en la combustión completa de la unidad de peso del
combustible, en oxígeno, enfriando los productos resultantes de la combustión hasta la temperatura
inicial de suministro del oxígeno (15° C).
 Poder calorífico inferior: calor que se obtiene de la combustión completa de la unidad de peso del
combustible, en oxígeno, enfriando los productos resultantes de la combustión hasta 100° C y sin
condensar el vapor.
 Contenido de humedad: cantidad de agua contenida en el combustible; se expresa en %.
 Cantidad de cenizas producidas: residuo sólido resultante de la combustión completa de un
combustible.
 Poder comburívoro: cantidad de aire mínima que necesita un combustible para que se verifique la
combustión completa del mismo.
  Poder fumígeno: peso de humos producidos en la combustión.
1.3.1. Combustibles sólidos

Los combustibles sólidos pueden ser naturales, como la madera, la biomasa procedente de residuos
agrícolas y el carbón o artificiales, obtenidos como resultado de proceso de piro-generación (aplicación de
calor sin contacto con el aire) aplicados a combustibles sólidos naturales.
Dentro de este grupo están los aglomerados o briquetas, el coque de petróleo y carbón o el carbón vegetal.
El carbón es el combustible sólido más utilizado, aunque en la actualidad está siendo desplazado por los
combustibles líquidos y gaseosos, que resultan menos contaminantes y que generan menor cantidad de
residuos en su combustión. Actualmente, gracias a las técnicas de gasificación e hidrogenación, el carbón
se utiliza como materia prima para la obtención de combustibles líquidos y gaseosos.

La madera o la biomasa en general, gracias a nuevas técnicas de combustión, resulta muy económica y se
obtiene un buen rendimiento con su uso. Por lo general, se utilizan para este fin maderas y leñas
procedentes de subproductos industriales o residuos agrícolas.

1.3.2. Combustibles líquidos

Los combustibles líquidos más utilizados, dejando aparte algunos tipos de alcoholes, son hidrocarburos
derivados del petróleo:

 Petróleo crudo.
 Fuel oil para calderas (grado 1 al 6).
 Gasóleos (A, B, y C).
 Destilados ligeros (gasolinas, queroseno,…).
 Residuos líquidos (disolventes, aceites usados de motores,…).

Los más utilizados como combustibles para calderas son el gasóleo C y el fuel, aunque el uso de fuel está
limitado por la normativa vigente según su calidad (sólo puede utilizarse fuel oil nº 1 y fuel oil nº 2) y la
potencia de la caldera.
Una característica importante de los combustibles líquidos para calderas es la viscosidad, ya que será
determinante a la hora de transportar el combustible a través de tuberías y su posterior pulverización y
atomización en el quemador para mejorar la combustión.
La viscosidad es una propiedad física que disminuye con la temperatura, por ello, el calentamiento previo
del combustible permite el uso como combustibles de aceites de alta viscosidad. Los combustibles de la
Clase C se clasifican en cuatro grupos, en función de su viscosidad y la temperatura de calentamiento
necesaria para su uso:

Tipo 1: no precisan calentamiento para su transporte o atomización (gasóleo C).

Tipo 2: no necesitan ser calentados para su transporte, pero sí para su atomización en el quemador (fuel
ligero).
Tipo 3: precisan ser calentados en el tanque de almacenamiento para su transporte y para su atomización
en el quemador (fuel oil nº 1).
Tipo 4: precisan ser calentados en el tanque de almacenamiento para su transporte y para su atomización
en el quemador (fuel oil nº 2).

1.3.3. Combustibles gaseosos

Los combustibles gaseosos se pueden clasificar según su origen en combustibles naturales y combustibles
artificiales.
Los gases combustibles naturales son:

Gases licuados del petróleo (GLP): están constituidos básicamente por propano y butano. Se almacenan y
transportan en forma líquida.
Gas natural: tiene como origen el petróleo, y está constituido por una mezcla de hidrocarburos en la que
predomina el metano.
Gas Grisú: se encuentra en las minas de hulla, formando bolsas, y está constituido básicamente por
metano, por lo que puede considerarse como gas natural.

Los gases combustibles manufacturados por gasificación del carbón por distintos procedimientos (pirolisis) o
como subproducto de algún proceso industrial. Como ejemplo de este tipo de gases podemos nombrar los
siguientes:

 Gas de alumbrado.
 Gas de coquería.
 Gas de generador.
 Gas azul.
 Gas ciudad.
 Gas de acerería.
 Gas de alto horno.

Como combustibles gaseosos nuevos, cabría destacar la incipiente utilización del biogás, obtenido a partir
de la fermentación anaeróbica de residuos o del hidrógeno obtenido a partir de la hidrólisis.
Dada la diversidad de origen y composición de los diferentes combustibles gaseosos, la clasificación
principal de los mismos, se establece de acuerdo con un parámetro, llamado índice de Wobbe, que se
define como el cociente entre el poder calorífico superior en kcal/Nm3 y la raíz cuadrada de la densidad
relativa del gas combustible.
Según este criterio, los gases combustibles se clasifican en tres familias:
 Primera familia: bajo índice de Wobbe (gas manufacturado y aire metanado).
 Segunda familia: índice de Wobbe intermedio (gas natural y aire propanado).
 Tercera familia: altos índices de Wobbe (butano y propano).
1.4. Poder calorífico.

El poder calorífico de un combustible es la cantidad de energía desprendida en la reacción de combustión,

referida a la unidad de masa de combustible.
Es la cantidad de calor que entrega un kilogramo, o un metro cúbico, de combustible al oxidarse en forma
completa.
El poder calorífico expresa la energía máxima que puede liberar la unión química entre un combustible y el
comburente y es igual a la energía que mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible,
menos la energía utilizada en la formación de nuevas moléculas en las materias (generalmente gases)
formada en la combustión.
La magnitud del poder calorífico puede variar según como se mida. Según la forma de medir se utiliza la
expresión poder calorífico superior (PCS) y poder calorífico inferior (PCI).
 Poder calorífico superior (PCS): Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión
completa de 1 Kg de combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está
condensado y se contabiliza, por consiguiente, el calor desprendido en este cambio de fase.
 Poder calorífico inferior (PCI): Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión
completa de 1 kg 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, y se expulsa como vapor.