La llama se define como el medio gaseoso en el que se desarrollan las reacciones de combustión; aquí es donde el combustible y el comburente se encuentran mezclados y en reacción.
La llama puede adoptar diferentes formas, según el medio técnico, y también la forma del quemador. Esto es así porque el quemadro es donde se pulveriza el combustible para que entre en contacto con el aire.
El frente de llama es la zona qe marca la separación entre el gas quemado y el gas sin quemar. Aquí es donde tienen lugar las reacciones de oxidación principales. El espesor del frente de llama puede ir desde menos de 1mm hasta ocupar totalmente la cámara de combustión.
La propagación de la llama es el desplazamiento de ésta a través de la masa gaseosa. Se efectúa esta propagación en el frente de llama. La velocidad de propagación va a depender de la transmisión de calor entre la llama y las zonas contiguas (gases quemados y no quemados). Cuando los gases sin quemar alcanzan la temperatura de ignición, entonces empezarán a sufrir la combustión.
Para que la llama comience y quede estable, se debe estabilizar el frente de llama. Para ello, se debe coordinar la velocidad de escape de gases y de propagación de la llama con la entrada de comburente (aire) y combustible.
Para que tenga lugar la combustión es necesario que se alcance la temperatura de ignición, que es aquélla a la cual la mezcla combustible/comburente no se extingue, aunque retiremos la llama de encendido.
La inflamabilidad de una mezcla gaseosa se define como la capacidad de propagarse a su través la llama iniciada en uno de sus puntos. Solo se habla de inflamabilidad a temperaturas inferiores a la de ignición. La inflamabilidad depende de la velocidad de propagación de la llama. La mezcla estequimétrica combustibles/comburente es siempre inflamable, debido a la alta temperatura que se alcanza.
Hay dos composiciones combustibles/comburente que nos dan los límites de inflamabilidad:
Límites de inflamabilidad
Inferior: [combustible] < [estequiométrica]
Superior:
[combustible] > [estequiométrica]
Estas composiciones límite dependen de las condiciones externas, como pueden ser la presión o la geometría de la cámara de combustión. Además de los límites de inflamabilidad, también se definen estas otras magnitudes:
- Intervalo de la temperatura de la llama: Está definida por una temperatura máxima y otra mínima, que coinciden con el instante final y con el instante de encendido de la combustión. Los productos quemados tienen una temperatura comprendida dentro de este intervalo.
- Intervalo de presiones: Se define de manera análoga a la interior
El efecto pared, es la no observación de la llama en la proximidad de paredes y cuerpos debido a los intercambios de calor con éstos.
Clasificación de las llamas
Las llamas se clasifican en 3 grupos ateniéndonos a los parámetros para un combustible líquido.
- Mezcla combustible comburente
- Velocidad de la mezcla de combustible
- Posición de la llama respecto a la boca del quemador
a. Mezcla combustible comburente
- Llama de premezcla: La mezcla de los dos fluidos se realiza parcial o totalmente antes de alcanzar la cámara de combustión
- Llama de difusión: (sin mezcla previa) El combustible y el comburente se mezcla justo en el momento de la combustión
b. Velocidad de la mezcla de combustible
- Laminar: Los fenómenos de mezcla y transporte ocurren a bajas temperaturas
- Turbulento: Las velocidades de la mezcla aire/combustible es elevada. La mezcla vaporizada suele salir silbando y en forma de torbelino
c. Posición de la llama respecto a la boca del quemador
- Llama estacionaria: El combustible se va quemando poco a poco al pasar por una determinada parte del sistema. Este es el tipo de llama ideal desde el punto de vista industrial
- Llama explosiva libre: Es la que está en movimiento
Forma., color y temperatura de la llama
La forma que presenta una llama depende del medio técnico que prepara el combustible/comburente; es decir, depende del quemador utilizado, ya que éste es el encargado de pulverizar y repartir el combustible. Si la combustión es buena, la llama no será opaca, negruzca,... El color negro lo van a dar los inquemados.
La temperatura que va a alcanzar la llama dependerá de:- Composición y porcentaje del comburente
- Velocidad
global de la combustión. Ésta depende de
- Reactividad del combustible
- Forma y eficacia del sistema de combustión
- Temperatura inicial de los reactivos
Temperatura adiabática de combustión
También se denomina temperatura teórica de combustión o temperatura de combustión calorimétrica. Es la temperatura que se obtendría en una combustión estequiométrica con mezcla perfectamente homogénea y en un tanque que nos permita evitar cualquier pérdida de calor al exterior.
En muchos casos llega con valorar de modo aproximado el calor liberado para determinar la temperatura adiabática de combustión. Esta temperatura aumenta con la potencia calorífica del combustible y disminuye con la capacidad calorífica de los productos de combustión.
Temperatura máxima teórica de la llama
Es la temperatura que se alcanza cuando la cantidad de aire empleada en la combustión es la cantidad estequiométricamente necesaria para ello. Se trata de un valor ideal, ya que las condiciones estequiométricas son imposibles de conseguir en la realidad.
Las temperaturas máximas de la llama son en 200-300ºC inferiores a la temperatura máxima teórica de la llama.
Si estamos utilizando combustible gaseoso con capacidad calorífica baja, para conseguir elevar la temperatura de combustión, habrá que precalentar la mezcla antes de que llegue a la temperatura de combustión. En la llama se distinguen 3 zonas, que son:- Reductora: También se llama dardo primario. Existe aquí un defecto de oxígeno. Es la zona más interior
- Oxidante: Hai exceso de oxígeno. Se llama también dardo primario. Es la zona más exterior y no está tan claramente definida como la reductora.
- Normal: Es la zona que queda entre una y otra
Medidas y análisis de los gases de combustión
Los gases de combustión se evalúan cualitativa y cuantitativamente. Mediante el análisis de estos gases vamos a poder saber si la reacción de combustión va bien o mal. Podemos conocer también la energía que se está produciendo y cuanta se puede estar perdiendo. Para todo esto, lo primero es tomar muestras de los gases de combustión. La toma de muestras se realiza principalmente de dos maneras:
- Por aspiración
- Por filtro
En ambos casos, se recogen los gases para llevarlos a analizar.
Estas muestras se recogen tanto en conductos intermedios como en la mismas chimenea de salida de gases.
Los puntos en los que tomamos la muestra vienen condicionados por lo que queramos exactamente de esa muestra. Hay que tener en cuenta que la composición de los gases va variando desde la salida de la cámara de combustión hasta que sale por la chimenea.
Puntos de interés para la toma de muestras
- En el hogar nos interesa tomar muestras porque esto nos permite conocer el rendimiento de la combustión.
- En cada elemento de la instalación: evaluamos de esta manera el rendimiento de cada uno de los elementos.
- Conductos de salida de gases de la chimenea
- En la parte baja de la chimenea
Ensayos a realizar a los gases de combustión
- Medida de las temperaturas: Controlamos de este modo la temperatura de combustión. Se usan para este cometido pirómetro, sontas termoeléctricas,... La eleacción del equipo va a depender de la disponibilidad, del punto en el que haya que medir, de la precisión requerida,...
- Determinación de la composicón de gases: Esta puede ser cualitativa y cuantitativa. Los principales componentes en una combustión son el CO2, SO2, H2O, O2,N2.
- Medida del caudal: Esta medida debe coincidirnos con la determinación teórica de productos y reactivos que hayamos hecho.
Métodos. Para medir los inquemados sólidos (carbono que queda sin quemar, hollín), se usan los papeles Ringleman, que en realidad lo que miden es la opacidad de los humos. También se puede usar la escala Bacharah (por círculos)