Libro Año Sabático 170 X 235 Ultimo MFCQ

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Universidad Mayor de San Andrés
Facultad de Ingeniería
Ingeniería Mecánica y Electromecánica
 (
TEMAS SELECTOS 
DE
INGENIERÍA TÉRMICA
)
Producción Intelectual
Año Sabático 2014
MSc Ing. José Luis Hernández Quisbert
Temas Selectos de Ingeniería Térmica
José Luis Hernández Quisbert
Editorial 	2014.
1ª edición
ISBN:
Impreso en Bolivia / Printed in Bolivia
Impreso por:
Índice
PREFACIO	1
LISTADO DE TABLAS	2
LISTADO DE FIGURAS	4
1.	Combustibles y Combustión	10
1.1.	La naturaleza de la Combustión	10
1.2.	Propiedades Físico - Químicas de los combustibles	21
1.2.1.	Propiedades de los Combustibles Sólidos	21
1.2.2.	Propiedades de los Combustibles Líquidos	22
1.2.3.	Octanaje y Cetanaje de los Combustibles	30
1.2.4.	Propiedades de los combustibles Gaseosos	33
1.3.	Combustión Estequiométrica	35
1.4.	Combustión con Exceso y Defecto de Aire	38
2.	Termodinámica de la Combustión	41
2.1.	Calor de Combustión	41
2.2.	Primera Ley aplicada al Proceso de Combustión	44
2.3.	Entalpía de Formación	45
2.4.	Poder Calorífico Superior de un Combustible	47
2.5.	Poder Calorífico Inferior de un Combustible	51
2.6.	Temperatura de Flama Adiabática	54
2.7.	Influencia de la Altitud en la Combustión	57
3.	Contaminación Ambiental por Efecto de la Combustión	64
3.1.	Contaminación Industrial	69
3.2.	Analizadores de Gases de Emisión	76
3.3.	Tratamiento de Gases Industriales	82
4.	Quemadores	86
4.1.	Quemadores de Combustibles Gaseosos	86
4.1.1.	Clasificación de los Quemadores	87
4.2.	Diseño de Quemadores Atmosféricos	88
4.2.1.	Parámetros de Diseño de un Quemador Atmosférico.	89
4.2.2.	Cálculo del Inyector	92
4.2.3.	Geometría del Quemador Atmosférico	95
4.3.	Diseño de Quemadores de Tiro Forzado	98
4.3.1.	Determinación del diámetro del Inyector	100
4.4.	Ventiladores y Turbosopladores de Quemadores	101
4.4.1.	Clasificación de Ventiladores	103
4.4.2.	Potencia de un Ventilador	104
4.4.3.	Medición de la Presión y Velocidad en un Ventilador	106
4.4.4.	Potencia requerida de un Ventilador	107
4.5.	Quemadores de Combustibles Líquidos	107
4.5.1.	Quemadores de Vaporización o Gasificación	108
4.5.2.	Quemadores de Emulsión	108
4.5.3.	Quemadores de Pulverización por Fluido Auxiliar	109
4.5.4.	Quemador de Pulverización Mecánica Centrífugo o de Copa Rotativa	110
4.5.5.	Quemadores de Pulverización Mecánica por Presión Directa	111
4.6.	Quemadores de Combustibles Sólidos	114
4.6.1.	Quemador de sólidos con alimentación inferior	115
4.6.2.	Quemador de sólidos con alimentación superior	115
4.6.3.	Quemadores de sólidos con parrilla móvil	116
4.7.	Sistemas de Encendido y Seguridad de Quemadores	116
5.	Generadores de Vapor	121
5.3.	Cálculos de un Generador de Vapor	127
5.3.1.	Capacidad Nominal de una Caldera Pirotubular	127
5.3.2.	Equivalente de Vaporización	128
5.3.3.	Factor de Vaporización	128
5.4.	Superficie de Calentamiento	128
5.5.	Cálculos de Eficiencia	130
5.6.	Diseño de Calderos Pirotubulares	131
5.6.1.	Parámetros de diseño de Calderos Pirotubulares	131
5.6.2.	Requerimientos de espesor Calderos Pirotubulares	132
5.6.3.	Materiales de Calderos Pirotubulares	138
5.7.	Uso de Software FIRECAD	138
5.8.	Calderos Acuotubulares	146
5.9.	Código ASME para calderos	151
6.	Tratamiento de Agua para Calderos	154
6.1.	Características Físico-químicas del Agua de Alimentación	157
6.2.	Ablandadores por Intercambio Iónico	158
6.3.	Alcalinidad - acidez del agua	160
6.4.	Concentración de sólidos totales disueltos y en suspensión	161
6.5.	Diseño de Ablandadores	162
6.6.	Mantenimiento de Generadores de Vapor	163
6.7.	Atención de Emergencias en Calderas	165
7.	Distribución del Vapor	167
7.1.	Calidad y Calorímetros de Vapor	167
7.2.	Tuberías de Vapor y su Dimensionamiento	171
7.3.	Línea Principal y Drenaje	183
7.4.	Medición de la Demanda de Vapor	188
7.5.	Trampas de Vapor y Accesorios	193
7.5.1.	Trampas de vapor Termodinámicas	193
7.5.2.	Trampas de Vapor Mecánicas de Flotador	194
7.5.3.	Trampa de Vapor de cubeta invertida	195
7.5.4.	Trampas de Vapor Termostáticas	196
7.5.5.	Trampas termostáticas Bimetálicas	196
7.5.6.	Separadores de Vapor	197
8.	Carga Térmica de Calefacción de Ambientes	200
8.1.	Calefacción por Aire Caliente	210
8.1.1.	Cálculos en la Calefacción por Aire Caliente	211
8.2.	Calefacción por Agua Caliente	214
8.3.	Calefacción por Vapor	221
8.4.	Calefacción por Suelo Radiante	225
8.5.	Uso de Software para Cargas Térmicas de Calefacción	232
9.	Sistemas de Calefacción de Agua Caliente Sanitaria ACS	235
9.1.	Sistemas Individuales	235
9.2.	Sistemas Centrales	242
9.3.	Cálculo de Diámetros de Tuberías de A.C.S.	246
10.	Sistemas de Calefacción de Piscinas	250
10.1.	Subsistema de Carga Térmica	250
10.2.	Subsistema Hidráulico	253
10.3.	Cálculo y Especificación de Componentes	254
11.	Diseño de Saunas Secos y Saunas a Vapor	260
11.1.	Sauna Seco	260
11.1.1.	Cálculos y especificación de componentes Sauna Seco	261
11.2.	Sauna a Vapor	266
11.2.1	Cálculo y Especificación de Componentes	266
12.	Hornos	269
12.1.	Cálculo de los Aparatos de Caldeo y Cocción	269
12.1.1.	Horno de Fuego directo	269
12.2.	Hornos de Secado de Madera	274
12.3.	Hornos Deshidratadores	283
12.4.	Hornos Eléctricos y Estufas	287
13.	Problemas Propuestos	294
ANEXOS	300
REFERENCIAS Y BILIOGRAFÍA	318
PREFACIO
Los Programas Académicos de Ingeniería Mecánica y Electromecánica tienen en sus Planes de Estudio la asignatura de Ingeniería Térmica, cuyo contenido mínimo comprende: Estudio de la Termodinámica de la Combustión y su aplicación en Máquinas Térmicas de Combustión Interna y Externa, así como en otros procesos termomecánicos; Estudio del Proceso de la Combustión de Combustibles Sólidos, Líquidos y Gaseosos como Fuente de Calor; Emisión de Gases Producto de la Combustión y su Condición Contaminante; Diseño de Quemadores y sus Aplicaciones; Diseño, Operación y Mantenimiento de Equipos Generadores de Vapor; Tratamiento Físico-químico del Agua de Alimentación de Calderos; Diseño de Sistemas de Agua Caliente Sanitaria; Diseño de Sistemas de Calefacción.
A la fecha, no existe un texto académico único o texto de aplicación, nacional o extranjero, que incluya la totalidad de los temas mencionados de manera gradual e integral y tanto docente como estudiantes recurren, de manera aislada, a diferentes fuentes de información. 
En el entendido que, “Producción Intelectual es toda creación en el campo científico, académico o literario, independientemente de su forma de expresión, que pueda materializarse por cualquier medio y que se realice en función de las necesidades institucionales”, se considera que la generación de un texto universitario, que incluya el estudio de temas selectos de Ingeniería Térmica, es una forma de satisfacer la necesidad planteada en el área térmica para la carrera de Ingeniería Mecánica y Electromecánica de la UMSA.
Las aplicaciones de la Ingeniería Térmica juegan un importante rol en equipos domésticos y de la Industria, así como en la preservación del medio ambiente, lo que contribuye al desarrollo sostenible de la sociedad moderna. En tal sentido, el presente Texto tiene por objeto, mostrar al estudiante la transición efectiva de los conceptos adquiridos en Termodinámica, Transferencia de Calor y Mecánica de Fluidos en productos finales de componentes, equipos y sistemas termomecánicos.
Los libros de texto universitario desempeñan un papel fundamental en la educación de la ingeniería, puesto que estructuran los procesos de enseñanza y aprendizaje, son fuente específica del contenido curricular y presentan una exposición organizada en una estructura de un cuerpo de conocimientos, además de un implícito estilo didáctico propio del autor. 
Las clases magistrales deben ser complementadas con un texto base que permita al estudiante una lectura detallada de la teoría y un uso de los ejercicios resueltos como material didáctico de apoyo. 
La bibliografía, tanto básica como complementaria, para la asignatura de Ingeniería Térmica es de origen extranjero y no presenta el contexto de las formas culturalesy realidad nacional en la aplicación de la Ingeniería Térmica.
La generación del presente texto universitario conlleva un trabajo de investigación el cual pretende aportar a la mejora de los índices de producción intelectual de la carrera y de la universidad.
TEMAS SELECTOS DE INGENIERÍA TÉRMICA
José Luis Hernández Quisbert
1
LISTADO DE TABLAS
		N°										Página
Tabla N° 1 Concentración de Dióxido de Carbono en PPM	12
Tabla N° 2 Familias de Hidrocarburos derivados del Petróleo	16
Tabla N° 3 Poderes Caloríficos de Combustibles Líquidos	23
Tabla N° 4 Temperaturas de Inflamación y Auto ignición	24
Tabla N° 5 Propiedades de Combustibles Automotores	25
Tabla N° 6 Propiedades Típicas de los Fuelóleos	27
Tabla N° 7 Especificaciones de Gasolinas	28
Tabla N° 8 Especificaciones del Diésel ASTM D975	29
Tabla N° 9 Especificaciones ASTM de Combustibles de Turbinas de Aviación	30
Tabla N° 10 Condiciones de Operación de Prueba de Octanaje	31
Tabla N° 11 Octanaje de diferentes combustibles y gasolinas	31
Tabla N° 12 Condiciones de Operación de acuerdo a ASTMD613	32
Tabla N° 13 Gases Combustibles según Familias	35
Tabla N° 14 Composición del Aire Atmosférico Seco	36
Tabla N° 15 Entalpías de Formación de Combustibles Comunes	46
Tabla N° 16 Poderes Caloríficos	51
Tabla N° 17 Gases con efecto invernadero	74
Tabla N° 18 Emisiones de escape de motor a gasolina	75
Tabla N° 19 Emisiones de escape en g/milla	75
Tabla N° 20 Clasificación de Quemadores	87
Tabla N° 21 Clasificación de Ventiladores	104
Tabla N° 22 Dimensiones referenciales de Calderos	131
Tabla N° 23 Espesores mínimos de Carcasas cilíndricas de calderos	132
Tabla N° 24 Unidades Equivalentes en diferentes Sistemas	156
Tabla N° 25 Capacidad Suavizadora de Ablandadores	163
Tabla N° 26 Procedimientos de Emergencias en Calderas	165
Tabla N° 27 Diámetros Diferentes Esquemas	174
Tabla N° 28 Porción extractada del Anexo 3	179
Tabla N° 29 Porción extractada del Anexo 4	180
Tabla N° 30 Dimensiones Recomendadas de Drenajes	185
Tabla N° 31 Actividad Metabólica	203
Tabla N° 32 Resistencia Térmica de la Ropa	204
Tabla N° 33 Coeficientes de Convección	207
Tabla N° 34 Factores Suplementarios	208
Tabla N° 35 Número de Renovaciones de Aire	208
Tabla N° 36 Coeficientes de Transferencia de Calor	209
Tabla N° 37 Factores de pérdida k para accesorios de Ductos	213
Tabla N° 38 Coeficientes Kr (kcal/h m °C)	230
Tabla N° 39 Pérdidas de Presión en Artefactos	232
Tabla N° 40 Consumo de ACS por uso en Aparatos	239
Tabla N° 41 Flujos de Consumo de ACS en Aparatos	239
Tabla N° 42 Capacidad de Tanques Proveedores de ACS	244
Tabla N° 43 Tabla de Factor de Diversidad para Unidades habitacionales	247
Tabla N° 44 Tabla de Coeficiente de Transferencia de Calor Superficial de Piscinas	252
Tabla N° 45 Pérdidas en accesorios de 2”	255
Tabla N° 46 Perdidas por fricción de tuberías de agua por cada 100 pies de tubería	256
Tabla N° 47 Área óptima de filtrado para diferentes tamaños de bombas	257
Tabla N° 48 Volumen de Sauna de vapor vs Potencia requerida	267
Tabla N° 49 Factor de Corrección de Potencias de Saunas de Vapor	268
Tabla N° 50 Programa de Secado de Madera	283
Tabla N° 51 Resistividades Eléctricas de Diferentes Aleaciones	290
Tabla N° 52 Tabla estandarizada de Calibres de Alambre	292
LISTADO DE FIGURAS	
N°											Página
Fig. 1 Temperatura Media de Tierra y Océano 1901 a 2013	13
Fig. 2 Gráfica de consumo Energía de diversa índole	14
Fig. 3 Destilación Fraccionada del Petróleo	16
Fig. 4 Estructura molecular de componentes del petróleo	19
Fig. 5 Porcentaje de Evaporado	25
Fig. 6 Cámara de Combustión como Volumen de Control	45
Fig. 7 Reactor de flujo continúo	46
Fig. 8 Cámara de Combustión como Volumen de Control	49
Fig. 9 Bomba Calorimétrica	53
Fig. 10 Interpretación Gráfica de la Temperatura de Flama Adiabática	55
Fig. 11 Cámara de Combustión adiabática	56
Fig. 12 Efecto de la Altitud en la densidad del Aire	58
Fig. 13 Cantidad Total de Energía capaz de liberar por m3 de aire a diferentes alturas	59
Fig. 14 Formación del Smog Fotoquímico	70
Fig. 15 Situación Normal	71
Fig. 16 Inversión Térmica	71
Fig. 17 Analizador de Gases Orsat	77
Fig. 18 Esquema de un Analizador de gases por Rayos infrarrojos	79
Fig. 19 Comportamientos de los gases de escape con base en la relación aire combustible	81
Fig. 20 Esquemas de Limpiadores de Gases de Combustión	82
Fig. 21 Depurador Húmedo –Seco	84
Fig. 22 Depurador Seco	84
Fig. 23 Quemadores Atmosféricos y Quemadores de Aire Forzado	88
Fig. 24 Quemador Atmosférico y sus partes constitutivas	88
Fig. 25 Eficiencia del Quemador	90
Fig. 26 Comportamiento de la Presión en un Quemador Atmosférico	91
Fig. 27 Tipos de Flamas	91
Fig. 28 Inyector seccionado	92
Fig. 29 Esquema Bernoulli	93
Fig. 30 Coeficientes de descarga	94
Fig. 31 Geometría del Quemador atmosférico	95
Fig. 32 Partes constitutivas de un Quemador de Tiro Forzado	99
Fig. 33 Diagrama de Flujo de Operación de un Quemador de Tiro forzado	100
Fig. 34 Ventilador Centrífugo	101
Fig. 35 Tipos de Ventiladores o Turbosopladores	104
Fig. 36 Diagrama Presión vs. Volumen de un ventilador	105
Fig. 37 Medición de la Presión de un Ventilador	106
Fig. 38 Partes constitutivas de un Quemador de Combustibles Líquidos	107
Fig. 39 Quemador de Vaporización: a) llama vertical b) llama horizontal	108
Fig. 40 Quemadores de emulsión a baja presión	109
Fig. 41 Quemador de Pulverización Neumática a baja presión de Mezcla	110
Fig. 42 Quemador de Pulverización Mecánica	110
Fig. 43 Quemador de Pulverización Mecánica por Presión Directa	111
Fig. 44 Esquema de la bomba y circuito de combustible de un quemador de fuelóleo modulante con una sola boquilla	111
Fig. 45 Nomenclatura de toberas	112
Fig. 46 Ángulos de Pulverización de toberas	113
Fig. 47 Distribución del aire	113
Fig. 48 Cabeza de Combustión	114
Fig. 49 Quemador de biomasa de alimentación inferior con Tiro forzado	115
Fig. 50 Quemador de Biomasa de alimentación superior	116
Fig. 51 Quemador de Biomasa de parrilla móvil	116
Fig. 52 Chispero Piezoeléctrico	117
Fig. 53 Chispero de Resistencia eléctrica	117
Fig. 54 Chispero Eléctrico de Salto de Chispa	118
Fig. 55 Seguro Bimetálico de Encendido	119
Fig. 56 Seguro de Encendido por Célula Fotoeléctrica	119
Fig. 57 Seguro de Encendido por Célula Fotoconductora	120
Fig. 58 Seguro de Encendido por Célula Fotoconductora	120
Fig. 59 Reguladores de Presión	120
Fig. 60 Esquema de Caldero de Fondo Seco	123
Fig. 61 Esquema de Caldero de Fondo Húmedo	124
Fig. 62 Sección de Caldero Pirotubular de 4 Pasos	124
Fig. 63 Subsistemas que comprenden un Caldero Pirotubular	125
Fig. 64 Subsistema de alimentación de agua de un Caldero Pirotubular	126
Fig. 65 Subsistema de Seguridad de un Caldero Pirotubular	127
Fig. 66 Sección transversal de Caldero Pirotubular	129
Fig. 67 Gráfico Diámetro Cañón versus Potencia entregada	134
Fig. 68 Determinación del Radio de la Carcasa del caldero	135
Fig. 69 Arreglo Triangular de Tubos de Calderos	136
Fig. 70 Paso entre Tubos de Calderos	137
Fig. 71 Programa Firecad Formato de Admisión de Datos	139
Fig. 72 Calderos Acuotubulares	146
Fig. 73 Efecto termosifón en Calderos Acuotubulares	146
Fig. 74 Banco de tubos aletados de caldero Acuotubular	147
Fig. 75 Sección Convectiva caldero acuotubular	148
Fig. 76 Caldero Acuotubular longitudinal	148
Fig. 77 Caldero Acuotubular de Tambor Cruzado	149
Fig. 78 Caldero Stirling de tubos inclinados	149
Fig. 79 Partes Constitutivas de un caldero Acuotubular	150
Fig. 80 Incrustaciones en Intercambiadores de Calor	156
Fig. 81 Esquema interno de un Ablandador de Agua	159
Fig. 82 Esquema de un Ablandador y Tanque de Salmuera	160
Fig. 83 Detalle operacional de válvulas	160
Fig. 84 Diagrama T vs S Curva Isobárica	167
Fig. 85 Calorímetro de Estrangulamiento169
Fig. 86 Gráfica de proceso isoentálpico en Calorímetro de Estrangulamiento	169
Fig. 87 Calorímetro Eléctrico	170
Fig. 88 Típica Instalación de Caldero y su Distribución	171
Fig. 89 Presión de vapor saturado seco vs Volumen específico	172
Fig. 90 Típica Estación de Válvula Reguladora de Presión	173
Fig. 91 Caída de Presión en una Tubería	175
Fig. 92 Carta de Moody en SI	177
Fig. 93 Arreglo de Caldero e intercambiador de Calor	178
Fig. 94 Carta de dimensionamiento de tuberías de Vapor - Método Caída de presión	181
Fig. 95 Monograma de dimensionamiento de tuberías de Vapor - Método Velocidad	183
Fig. 96 Instalación típica de tubería principal	184
Fig. 97 Salida a Trampa de Vapor demasiado pequeña	184
Fig. 98 Salida a Trampa de Vapor amplia y adecuada	185
Fig. 99 Dimensionamiento de salidas	185
Fig. 100 Formación del Golpe de Ariete	186
Fig. 101 Causas de formación del Golpe de Ariete	186
Fig. 102 Reducciones típicas en Líneas de Vapor	187
Fig. 103 Extensión de Ramales de Líneas de Vapor	187
Fig. 104 Típica Instalación de Línea de Conexión Ramal y drenaje	188
Fig. 105 Ejemplo de arreglo de Ramal ascendente	188
Fig. 106 Equipos de medición de Flujo de Vapor	190
Fig. 107 Depósito Calentador de Aceite Térmico con Vapor	191
Fig. 108 Intercambiador de Calor de Flujo Continuo	192
Fig. 109 Típico Perfil de Temperatura en Intercambiador de Calor de Flujo Continuo	192
Fig. 110 Trampas Termodinámicas	193
Fig. 111 Trampas Mecánicas de Flotador	194
Fig. 112 Trampas de Cubeta Invertida	195
Fig. 113 Trampas de Vapor Termostáticas	196
Fig. 114 Trampa de Vapor Termostática Bimetálica	197
Fig. 115 Separador de Vapor de Bafles	198
Fig. 116 Disipación del Calor Humano	201
Fig. 117 Diagramas de Confort para invierno y verano	205
Fig. 118 Pérdidas de Calor en Ambientes cerrados	205
Fig. 119 Coeficiente de Transmisión térmica de Pared de Ladrillos	206
Fig. 120 Inmueble con 4 cerramientos	209
Fig. 121 Sistema de Calefacción Central por Aire Caliente	211
Fig. 122 Típica instalación de Calefacción por Agua Caliente	215
Fig. 123 Elementos Emisores en Calefacción por Aire Caliente	216
Fig. 124 Plano e isométrico de vivienda a calentar	218
Fig. 125 Porción extraída de Anexo 8	220
Fig. 126 Sistema Monotubo	222
Fig. 127 Sistema Bitubo	223
Fig. 128 Suelo Radiante	225
Fig. 129 Componentes Básicos del Sistema de Calefacción por Suelo radiante	228
Fig. 130 Detalle de Serpentín Continuo y en Espiral	228
Fig. 131 Transmisión de Calor de un Suelo Radiante	229
Fig. 132 Detalle del Suelo Radiante	231
Fig. 133 Hoja Electrónica de Calefacción	233
Fig. 134 Vista interior y esquema de Termotanque	236
Fig. 135 Esquema interno del Calefón Instantáneo	237
Fig. 136 Esquema de Funcionamiento de Caldera Mixta para ACS y Calefacción	242
Fig. 137 Detalles de Tanque intermediario	243
Fig. 138 Detalle de montaje de tanque intermediario	243
Fig. 139 Detalles de distribución de Tuberías en Edificios	246
Fig. 140 Nomograma de Diámetros de Tuberías	248
Fig. 141 Esquema de una red de tuberías de suministro de agua caliente	248
Fig. 142 Pérdidas de Calor en Piscinas	250
Fig. 143 Diagrama típico de montaje de Piscina	253
Fig. 144 Instalación Típica de una piscina doméstica	254
Fig. 145 Ejercicio de Pérdidas de Presión	255
Fig. 146 Interior de Filtro de Arena	256
Fig. 147 Detalle de Instalación de Componentes de Piscina	257
Fig. 148 Sauna Seco	260
Fig. 149 Detalle de cerramiento de Sauna Seco	261
Fig. 150 Generador de Calor de Sauna a GLP o GN	263
Fig. 151 Sistema de Control de Sauna Seco	265
Fig. 152 Sauna a Vapor	266
Fig. 153 Gráfica de Volumen de Sauna vs Potencia requerida	267
Fig. 154 Esquema de un horno de combustión	269
Fig. 155 Balance de Energía de un Horno de Fuego Directo	270
Fig. 156 Pérdidas por Conducción, Convección y Radiación y Circuito Equivalente	271
Fig. 157 Pérdidas por Chimenea Gas Natural	272
Fig. 158 Pérdidas por Chimenea Fuelóleo N° 2	273
Fig. 159 Comportamiento de la humedad en la madera	276
Fig. 160 Medidores Digitales de Humedad de Madera	277
Fig. 161 Esquema básico de un Horno de Secado de Madera	277
Fig. 162 Apilado de tablones para permitir el paso del aire secador	281
Fig. 163 Interior de un Horno de Secado de Madera	282
Fig. 164 Diagrama de Fases del Agua y Formas de Secado	284
Fig. 165 Esquema Deshidratador de Túnel Continuo	285
Fig. 166 Hornos de Resistencias	287
Fig. 167 Potencia específica máxima en hornos	289
					
CAPÍTULO 1
1. Combustibles y Combustión
1.1. La naturaleza de la Combustión
La combustión es un fenómeno tan comúnmente observado que difícilmente parece ser necesaria su definición. Desde un punto de vista científico, la combustión está sustentada por la cinética de la reacción química. El término combustión se utiliza para aquellas acciones en las cuales ocurre una rápida y gran conversión de energía química en energía sensible, es decir, un proceso de oxidación. Sin embargo, tal definición no es precisa, por ejemplo, la oxidación de las partes de un automóvil no se puede considerar como una combustión aunque haya un proceso de oxidación muy lento. Si se pulveriza el metal de un vehículo y se deja que se oxide en el medio ambiente, estas pequeñas partículas tendrán un proceso de oxidación mucho más rápido; esto se debe a que se está incrementando el área de contacto y por lo tanto también se está incrementando la tasa de reacción. Por lo expuesto, se puede definir el proceso de combustión como un proceso de oxidación, rapidísimo y exotérmico.
Una ampliación en este ámbito es citada a continuación: “La combustión es un proceso de oxidación mediante el cual una sustancia combustible libera su energía latente en forma de calor y luz al entrar en contacto con el elemento comburente; éste puede ser oxígeno puro o bien oxígeno que se toma de un compuesto químico como el ácido nítrico o el perclorato de amoníaco.”[footnoteRef:2] [2: Prácticas del Laboratorio de Máquinas térmicas de la UNAM] 
Se define como combustible a toda sustancia que, cuando se la calienta, pasa por una reacción química con un oxidante (típicamente oxígeno en el aire) para liberar calor. Los combustibles son sustancias que pueden proporcionar energía calorífica para producir trabajo mecánico; según su estado, los combustibles se clasifican en sólidos, líquidos o gaseosos.
Para que un combustible sea una fuente de energía, éste debe ser abundante y relativamente barato. Los combustibles pueden ser provenientes de fósiles o de biomasa. Los combustibles fósiles son no renovables mientras los biomásicos sí son renovables. Los combustibles fósiles comprenden el gas natural, los derivados del petróleo y el carbón mineral. Los combustibles de biomasa provienen principalmente de madera, residuos agrícolas y material orgánico.
Los combustibles sólidos comprenden las distintas clases de carbón; éste puede ser de origen orgánico o inorgánico. Estos combustibles generalmente están constituidos por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, humedad y cenizas. Algunos de los combustibles sólidos son: la antracita, semiantracita, carbón bituminoso, lignito, etc.
 La reacción en el proceso de combustión se puede incrementar aumentando la temperatura. La tasa de la reacción química exotérmica aumenta exponencialmente en función de la temperatura absoluta de la reacción. Aún un pequeño incremento en la temperatura aumentará rápidamente la reacción. Debido a que las reacciones de los combustibles son exotérmicas, las temperaturas van aumentando y la tasa de reacción también va aumentando hasta alcanzar tal velocidad que el proceso de combustión se convierte en una explosión.
Si la temperatura de una mezcla aire - combustible se ha elevado uniformemente, por ejemplo, por una compresión adiabática, la reacción puede ocurrir homogéneamente en todo el volumen; sin embargo, esto no es lo común, la combustión comúnmente observada presenta una flama, la cual es una región gaseosa delgada dondese produce la reacción química exotérmica; por ejemplo, en la combustión de un mechero Bunssen y una vela, ambos muestran una delgada región donde tanto el combustible como el oxígeno reaccionan desprendiendo calor y luz. En el caso de un mechero Bunssen, los reactantes compuestos por el combustible gaseoso, como el metano, y el aire llegan muy bien mezclados antes de la ignición, una vez mezclados se queman y la mezcla forma una zona de reacción de forma cónica denominada frente de flama, originándose los productos de la combustión.
La conversión de la energía química en energía sensible ocurre en la flama y eso hace que la temperatura de la flama aumente. Los productos de la combustión emergen de la flama a una temperatura elevada pero la transferencia de calor y la mezcla que ocurre con el aire del ambiente causa que la temperatura disminuya a medida que los productos se alejan de la flama. El mechero Bunssen es un ejemplo de combustión de pre mezcla, esa combustión da origen a la flama premezclada. Otro ejemplo de combustión de mezcla es la que ocurre en una cámara de combustión de un automóvil donde el aire y combustible llegan mezclados en una relación determinada. La flama del mechero Bunssen es una flama estacionaria mientras que la que ocurre en una cámara de combustión es un ejemplo de una flama que se propaga.
La flama de una vela es diferente a la de un mechero Bunssen, ya que en la vela el combustible no es premezclado con el oxidante, la cera de la vela es calentada por la misma flama, ésta se licúa, luego se vaporiza y se mezcla con el aire que es absorbido de los alrededores por la flama en un movimiento boyante que hace que los productos fluyan hacia arriba. Este tipo de flama se denomina de difusión. La concentración aire- combustible en una flama de difusión varía desde una zona rica en combustible hasta una zona de aire puro. En este rango, algunas mezclas tienen mejores propiedades para la reacción. Para la mayoría de los combustibles, la zona de reacción de alta temperatura transfiere calor creciente hacia la zona rica en combustible, formando partículas sólidas de carbón de un tamaño menor a un micrón. Estas partículas calientes y radiantes generan una luminosidad de color amarillo o rojo. La combustión de quemadores de aceite, turbinas de gas y motores diésel presenta flamas de difusión. Tanto las flamas premezcladas como las flamas de difusión ocurren a diferentes tiempos y diferentes lugares dentro de la cámara de combustión.
Las flamas pueden ser laminares o turbulentas. La turbulencia mejora la mezcla e incrementa la superficie de contacto en la zona de reacción, es decir, de combustión o quema. Esta velocidad de reacción se refiere al avance de la reacción entre la mezcla quemada y la no quemada. Los efectos de la turbulencia son importantes debido a que las flamas laminares son bastante lentas. La mayoría de los quemadores en la industria trabajan con flamas turbulentas.
Las velocidades de las ramas premezcladas y laminares para combustibles de hidrocarburos son de aproximadamente 0.5m/s; en cambio, las flamas turbulentas son de dos a diez veces más rápidas. Cuando se alcanza velocidades de 2000 m/s se tiene una explosión o detonación. En una combustión laminar o turbulenta las reacciones ocurren prácticamente a presión atmosférica; en cambio en una detonación, la presión alcanza hasta quince veces más.
La naturaleza de la combustión también depende si el combustible es gaseoso, líquido o sólido. Los combustibles gaseosos son fáciles de transportar, mezclar y por lo general tienen una combustión limpia. Los combustibles líquidos comúnmente son pulverizados a través de toberas a altas presiones, mientras que los sólidos son molidos y pulverizados antes de ser alimentados en el quemador o combustor.
Cuando los combustibles líquidos son calentados, estos se vaporizan y se queman en el estado gaseoso; en cambio, los combustibles sólidos cuando se calientan desprenden humedad y gases volátiles y lo que queda es carbón poroso y cenizas. Los combustibles líquidos viscosos también dejan carbón y cenizas, el carbón tiene una combustión superficial.
Debido a que los combustibles gaseosos líquidos y sólidos tienen un proceso de combustión diferente, cada equipo de combustión tendrá un diseño diferente para tener una combustión más eficiente, más económica y limpia. Las propiedades físico-químicas del combustible incidirán en el contenido de ceniza, en la erosión y en la corrosión del equipo de combustión. 
El proceso de combustión deberá satisfacer las exigencias medioambientales en cuanto a la emisión de productos contaminantes, tales como monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados, óxidos de nitrógeno, dióxido de azufre y material particulado. Los estándares de emisión están establecidos para mantener el ambiente suficientemente limpio como para proteger la salud humana y el medio ambiente.
Actualmente el calentamiento global es una preocupación mundial y una causa de este efecto son las altas concentraciones de dióxido de carbono que propician el efecto invernadero donde las radiaciones térmicas de onda larga, que deberían salir de la superficie terrestre, son atrapadas por la atmósfera aumentando así la temperatura del planeta. Si bien la relación entre las emisiones de CO2 y la temperatura promedio del mundo aún no está muy bien establecida, se ha comprobado que la concentración de CO2 en el globo terráqueo y su atmósfera se está acelerando cada vez más. La siguiente Tabla permite apreciar este fenómeno:
Tabla N° 1Concentración de Dióxido de Carbono en PPM
	Tabla de Concentración de Dióxido de Carbono en PPM
	Período
	Concentración PPM
	Antes de la revolución Industrial
	280
	1900
	300
	1958
	315
	1980
	337
	1996
	362
	2013
	400
Fuente: Gary L. Borman. Combustion Engineering 2012.Edit. McGraw Hill
Fig. 1Temperatura Media de Tierra y Océano 1901 a 2013
Fuente: https://www2.ucar.edu/sites/default/files/news/2014/201301-201312.png
 En la Figura 1 se muestra las temperaturas promedio de tierras y océanos; en la misma se observa que ha habido un incremento de 0.85ºC desde 1880 hasta el 2012. Considerando que 1/3 de la población no cuenta con energía eléctrica y su generación es en base a termoeléctricas alimentadas con combustibles sólidos, se prevé un mayor aumento de CO2 y lo que se pretende es reducir esta concentración, esto se puede lograr diseñando y construyendo equipos y sistemas de combustión más eficientes desde un punto de vista energético. Entender los detalles de la combustión requiere utilizar química, matemáticas, termodinámica, transferencia de calor, mecánica de fluidos, entre otras ciencias. Por ejemplo, comprender el comportamiento de una simple flama turbulenta requiere los conocimientos de turbulencia de fluidos y cinética química, campos que se hallan en las fronteras de la ciencia actual. Sin embargo, el ingeniero no puede esperar hasta que el conocimiento evolucione y debe dar respuestas haciendo uso de la ciencia y la experiencia para hallar soluciones prácticas en materia de diseño de sistemas de combustión.
Fig. 2Gráfica de consumo Energía de diversa índole
Fuente: WorldEnergy Council
La Figura 2permite apreciar el uso de las diferentes formas de energía y una proyección hasta el año 2020 en medidas de unidades Mtoe, que significa la cantidad de energía cuando se quema una tonelada de petróleo crudo y equivale aproximadamente a 42GJ. Como se puede observar, el consumo de combustible fósil no renovable es muy alto y su reducción se prevé para el año 2020 en apenas 6%, esto significa que la tecnología de combustión estará vigente y deberá mejorar para reducir los niveles de emisión. 
El desafío actual para el ingeniero de combustión es alcanzar el diseño y construcción de equipos y sistemas de alta eficiencia, bajas emisiones y alta confiabilidad a costos razonables.
Combustibles Sólidos
Estos comprenden la madera y otras formas de biomasa, turba lignito, carbón bituminoso (carbón suave con alto contenido de bitumen) y carbónde antracita. Ciertos desechos industriales o municipales también se pueden considerar como combustibles. Estos combustibles están constituidos por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, humedad y cenizas. El oxígeno está químicamente ligado al combustible y varía desde un 45% en peso para la madera hasta un 2% para el carbón de antracita. La humedad puede estar en forma libre o ligada intrínsecamente en la madera o la porosidad del carbón. Las cenizas son el residuo inorgánico que queda después que se ha quemado completamente el combustible.
El carbón es un mineral heterogéneo que está compuesto de carbón, hidrógeno y oxígeno con mínimas cantidades de azufre y nitrógeno. Otros constituyentes son los compuestos inorgánicos de las cenizas, algunos carbones toman una forma plástica y se derriten cuando se calientan y desprenden resinas, licores y gases, dejando un residuo de carbón.
El carbón se origina a través de la acumulación de la madera y otra biomasa que fue cubierta y compactada en cientos de miles de años hasta petrificarse y convertirse en rocas.
El origen del carbón bituminoso parece ser tierras húmedas constantemente inundadas de aguas con nutrientes lo cual ayudó a la formación de vegetación y turba. En los niveles bajos de estas tierras húmedas existió un proceso anaeróbico que ayudó al cambio estructural y descomposición bioquímica de las plantas remanentes; estas alteraciones microbiológicas y químicas de la celulosa, la lignina y otras sustancias, hicieron que aumentara el porcentaje de carbón y disminuyera la cantidad de agua. Estos cambios generaron lignito, carbón bituminoso y luego antracita, cambios progresivos que ayudaron a la carbonización además de las altas presiones y temperaturas. Químicamente, al disminuir la porosidad y aumentar la vitrificación del carbón, existe una disminución de la materia volátil, un aumento del porcentaje de carbón así como una disminución del porcentaje de oxígeno e hidrógeno como es el caso de la antracita. Estas diferencias de composiciones del carbón hacen que se clasifique en rangos y grados. Los rangos del carbón expresan la metamorfosis progresiva de un carbón desde lignito hasta antracita. El rango se basa en el poder calorífico, tema que será ampliamente estudiado más adelante.
· Combustible sólido de desecho
Este material que comúnmente denominamos basura, en países industrializados sirve como combustible de grandes calderos donde se genera vapor que alimenta turbinas de vapor, que a su vez conducen generadores eléctricos. Los desechos o basura pueden ser quemados directamente o también pueden ser procesados y separados los combustibles de los no combustibles en sistemas de cortadoras, separadores magnéticos, cernidores por tamaño y clasificación por aire; a este tipo de combustible se lo conoce como combustible derivado de desechos. Este tipo de combustible puede ser tratado para obtener combustibles líquidos y gaseosos o ser almacenado en forma de pastillas o ladrillos. En Bolivia, este recurso energético aún no está siendo utilizado y se lo debería estudiar académicamente para una futura explotación industrial.
· Combustibles Líquidos
Los combustibles líquidos son esencialmente derivados del petróleo crudo. Recientemente, una nueva tecnología permite obtener combustibles líquidos derivados de esquistos, arenas resinosas, carbón y biomasa. El petróleo crudo es una mezcla de hidrocarburos líquidos con pequeñas cantidades de azufre, nitrógeno, oxígeno, trazas de metales y minerales. El petróleo generalmente se encuentra atrapado en ciertas formaciones rocosas que fueron originalmente fondos marinos. Esta materia orgánica del fondo del mar fue encerrada en capas de roca a elevadas presiones y temperaturas por millones de años hasta que se convirtió en el petróleo crudo que hoy conocemos.
Los análisis de los petróleos crudos alrededor del mundo no varían mucho, con un 84% de carbón y hasta 3% de azufre, 0.5% de nitrógeno y 0.5% de oxígeno. En algunos casos se puede quemar el petróleo crudo de manera directa; sin embargo, debido a las diferentes densidades y viscosidades, así como impurezas que éste tiene, el petróleo crudo se debe refinar. Existen diferentes procesos de refinamiento tales como destilación fraccionada, cracking, reformado y otros, obteniéndose así diferentes cortes como gasolina, diésel, combustibles de turbinas de gas y fuelóleos.
Fig. 3Destilación Fraccionada del Petróleo
Fuente: Wikipedia
La Figura 3 muestra una representación esquemática de los cortes obtenidos en una destilación fraccionada. Por la parte superior salen los hidrocarburos volátiles y por la parte inferior los más pesados.
Los combustibles líquidos derivados del petróleo pueden dividirse en destilados libres de ceniza y combustibles con ceniza; estos últimos presentan una significativa cantidad de minerales, los cuales deben ser removidos en la refinería. Los combustibles líquidos derivados del petróleo tienen una variedad de hidrocarburos y presentan un amplio rango de propiedades.
Químicamente, el petróleo crudo está compuesto principalmente de alcanos (parafina), ciclo alcanos,naftenos y aromáticos. Los combustibles de petróleo también contienen alquenos (olefinas), los cuales se forman durante el proceso de cracking en la refinación.
Tabla N° 2Familias de Hidrocarburos derivados del Petróleo
	Familias de Hidrocarburos derivados del Petróleo
	Familia 
	Fórmula
	Estructura
	Parafinas
	Cn H2n+2
	Cadena Saturada
	Olefinas
	Cn H2n
	Cadena no Saturada
	Diolefinas
	Cn H2n-2
	Cadena no Saturada
	Naftenos
	Cn H2n
	Anillo Saturado
	Aromáticos
	Cn H2n-6
	Anillo no Saturado
Fuente:Prácticas del Laboratorio de Máquinas Térmicas UNAM
Dependiendo del número de átomos de carbono y de la estructura de los hidrocarburos que integran el petróleo, se tiene diferentes propiedades que los caracterizan y determinan su comportamiento como combustibles, lubricantes, ceras o solventes.
Las cadenas lineales de carbono asociadas a hidrógeno constituyen las parafinas; cuando las cadenas son ramificadas se tienen las isoparafinas; al presentarse dobles uniones entre los átomos de carbono se forman las olefinas; las moléculas en las que se forman ciclos de carbono son los naftenos, y cuando estos ciclos presentan dobles uniones alternas (anillo bencénico) se tiene la familia de los aromáticos.
Además hay hidrocarburos con presencia de azufre, nitrógeno y oxígeno formando familias bien caracterizadas, y un contenido menor de otros elementos. Al aumentar el peso molecular de los hidrocarburos, las estructuras se hacen verdaderamente complejas y difíciles de identificar químicamente con precisión. Un ejemplo son los asfaltenos que forman parte del residuo de la destilación al vacío; estos compuestos además están presentes como coloides en una suspensión estable que se genera por el agrupamiento envolvente de las moléculas grandes, las cuales se modifican disminuyendo su tamaño hasta constituir un todo semicontinuo.
Fig. 4Estructura molecular de componentes del petróleo
Fuente: PEMEX http://www.imp.mx/
· Combustibles Gaseosos
El gas natural se halla comprimido en rocas porosas y arcillas esquistosas en estratos inferiores. Frecuentemente, el gas natural se halla muy cerca o encima de los depósitos de petróleo. El gas natural es una mezcla de hidrocarburos y pequeñas cantidades de no-hidrocarburos existentes en la fase gaseosa o mezclado en una solución con petróleo crudo.
El gas natural crudo contiene metano y, en menores cantidades, etano, propano, butano y pentano. También, en cantidades mínimas, el gas natural contiene nitrógeno orgánico y azufre que prácticamente son despreciables y, en algunos casos, dióxido de carbono y nitrógeno que no son combustibles.
El gas natural extraído de los yacimientos petrolíferos es un producto incoloro e inodoro, no tóxico y más ligero que el aire. Procede de la descomposición de los sedimentos de materia orgánica atrapada entre estratos rocosos y es una mezcla de hidrocarburos ligeros en la que el metano(CH4) se encuentra en grandes proporciones, acompañado de otros hidrocarburos y gases, cuya concentración depende de la localización del yacimiento. 
Gas Natural Comprimido (GNC)
GNC significa Gas Natural Comprimido y es el mismo gas natural mencionado anteriormente pero sometido a altas presiones. El Gas Natural Comprimido se comprime hasta 200 bar con objeto de ser almacenado en cilindros y su principal uso es en motores de combustión interna. 
El Gas Natural ha sido aceptado como una energía con gran potencial de desarrollo futuro y, de hecho, la Conferencia Mundial de la Energía, celebrada en Tokio el año 1995, declaró al GNC como el combustible alternativo con mejores opciones de desarrollo para su masificación a futuro debido a su abundancia, comodidad, seguridad, bajo costo de extracción, transporte, distribución y el bajo nivel de contaminación que genera. Este gas es también conocido como Gas Natural Vehicular que no es más que el GNC usado como fuente energética en los automotores en general. Su uso se ha difundido en muchos países, principalmente por su limpieza ambiental y menor costo comparado con los combustibles tradicionales.
Gas Natural Licuado (LNG)
LNG (por sus siglas en inglés) es un gas natural que ha sido licuado y separado de los hidrocarburos líquidos y más pesados por un proceso criogénico que baja su temperatura hasta -162 grados Celsius a presión atmosférica o ligeramente superiores. Su contenido de metano alcanza un 99% y puede ser transportado en grandes buque-tanques denominados “metaneros.”
El Gas Natural Licuado ocupa un volumen que representa 1/600 el volumen del Gas Natural en forma de vapor en condiciones estándar.
Gas Licuado de Petróleo (GLP)
El gas licuado de petróleo (GLP) está compuesto principalmente de etano, propano y butano, que son producidos en plantas procesadoras a partir del gas natural. El GLP también incluye algunos gases licuados provenientes de las refinerías, tales como etileno, propileno y butileno. El GLP es almacenado en tanques a presiones mucho menores que el GNC. El GLP comercial tiene una presión de vapor de 2,08 bar a 38°C.
Gas de Carbón o Gas Pobre
El denominado gas de carbón o “gas pobre” se obtiene de un proceso de semi-combustión del carbón, con una cantidad de aire menor que el estequiométrico, sobre un lecho caliente de carbón, madera, turba o residuos agrícolas. Este gas puede ser usado caliente o bien frío y limpio de brea y ceniza. El gas pobre está compuesto principalmente de CO, H2, y hasta un 55% de N2, además de CO2 en mínima proporción. La gran cantidad de nitrógeno en el gas pobre hace que éste tenga un poder calorífico bajo.
Otra manera de obtener gas pobre es calentando el carbón y la biomasa de forma indirecta.
Gas de Agua
Se produce un llamado gas de agua a través de un lecho caliente de carbón, hulla o carbón de madera, una dosificación de aire y luego sofocando esta combustión con vapor. El vapor reacciona endotérmicamente con el carbón de la siguiente manera:	
C + H2O = CO + H2
De esta forma, el CO y el H2 se incrementan y el N2del aire disminuye. El gas de agua tiene el doble de poder calorífico que el gas barato.
Gases de Alta Temperatura
Los gases manufacturados, como el hidrógeno y el acetileno, son usados para aplicaciones de altas temperaturas. El hidrógeno se obtiene a partir de una reformación del gas natural, una oxidación parcial de los hidrocarburos líquidos, o una gasificación del carbón. El acetileno C2H2 se obtiene añadiendo agua al carburo de calcio.
1.2. Propiedades Físico - Químicas de los combustibles
1.2.1. Propiedades de los Combustibles Sólidos
Los análisis físico-químicos de los combustibles sólidos están basados en las normas ASTM, que son: 
Análisis de Aproximación ASTM D3172
Esta prueba determina la cantidad de humedad, materia combustible volátil, carbón fijo y cantidad de ceniza en una muestra de un combustible sólido. Esta prueba se denomina de aproximación por la naturaleza empírica de la misma. Se muele y pesa una muestra de carbón y se la calienta entre 105 a 110°C, se vuelve a pesar y la diferencia determinará el porcentaje de humedad. Esta misma muestra luego se calienta hasta 900°C en un recipiente hermético y se sigue el mismo procedimiento para determinar el peso de la masa volátil. La materia remanente es luego calentada hasta 750°C en un recipiente abierto de tal manera que exista combustión, se pesa la masa nuevamente y el peso perdido corresponderá a la resina o carbón fijo y lo que queda en el recipiente se define como ceniza. En esta prueba no se determina si el agua desprendida es libre o está químicamente enlazada al combustible. Se debe seguir cuidadosamente el protocolo de esta prueba para tener resultados confiables.
Análisis Final ASTM D3176
Prueba que permitedeterminar la composición porcentual de los elementos del combustible; esta prueba es una continuación dela anterior, es decir, se la realiza en base seca y libre de cenizas. La prueba determina la cantidad de carbón e hidrógeno quemando la muestra en un recipiente cerrado en presencia de oxígeno. Las proporciones de los componentes se determinan a través de un análisis de los productos de combustión.
Determinación del Poder Calorífico ASTM2105
Esta prueba permite determinar la cantidad de calor que se genera por unidad másica de combustible en un proceso completo de combustión. Para ello se utiliza una bomba calorimétrica de combustible. Más adelante se explicará ampliamente esta prueba.
Determinación del Grado de Pulverización ASTM D409
Permite diferenciar a los combustibles sólidos por su facilidad de pulverización. El sólido es movido en un recipiente que contiene ocho bolas de acero de 25 mm de diámetro, las bolas son conducidas por un anillo que rota a 20 RPM impulsado por un eje que ejerce una presión de 284.4 N. Se toma una muestra de 50 g, la cual se somete a 60 revoluciones del equipo, el carbón molido luego es tamizado en una malla de 75 micrones y luego se pesa la masa molida para determinar el porcentaje de pulverización.
Determinación de la temperatura de fusión de la ceniza ASTMD1857
Esta prueba es importante porque los residuos de ceniza causan taponamientos en calderos y otros intercambiadores de calor. Una vez que una muestra ha sido quemada en presencia de oxígeno para asegurar una combustión completa, quedan los restos de cenizas los cuales se mezclan con una solución de dextrina hasta formar una pasta en forma de cono, el cual se quema nuevamente hasta que el cono colapse. En este proceso se toman las diferentes temperaturas para determinar la temperatura de fusión. Esta temperatura depende de la composición de la ceniza; si ésta tiene SIO2, Al2O3, y TiO2, las temperaturas de fusión son mayores; en cambio, si la ceniza contiene Fe2O2, CaO, MgO, Na2O y K2O, las temperaturas son mucho más bajas. Esta temperatura servirá como parámetro de diseño en calderos o intercambiadores.
Índice de Hinchamiento Libre 
Expresa el comportamiento del carbón cuando se calienta a temperaturas a las quese provoca su escisión en dos fases: gaseosa y sólida. La forma y volumen final obtenidos de una muestrainicial de carbón, sometido al citado calentamiento, se compara con una escalaestablecida en la que seasignan unos números a cada forma y volumen.
La escala varía desde0 (sin aumento de tamaño) a 9 (aumento de tamaño más grande). El IHLpuede verse afectado porel contenido de humedad a la intemperie, y la poca consistencia de la muestra pulverizada.
Índice de Abrasividad
Expresa la mayor o menor capacidad quetiene un carbón para producir erosión enlos elementos de un equipo de manejo del mismo. Se utilizará la escala MOHS, que asigna un valor oíndice a diez materiales distintos según su abrasividad.
1.2.2. Propiedades de los Combustibles Líquidos
Determinación del Poder Calorífico ASTM3523
Esta prueba se realiza haciendo uso de una bomba calorimétrica, la cual es un recipiente metálico donde se inyecta oxígeno a alta presión, una resistencia eléctrica y el combustible. El recipiente estárodeado de agua y ésta absorbe el calor producido por la reacción de combustión en la bomba. El aumento de la temperatura del agua permite determinar la cantidad de calor desprendido por el combustible.
Tabla N° 3Poderes Caloríficos de Combustibles Líquidos
	Combustibles
	PCI (kJ/kg)
	PCS (kJ/kg)
	Aceites de Esquisto
	-
	38830
	Alcohol Comercial
	23860
	26750
	Alquitrán de Hulla
	-
	37025
	Alquitrán de Madera
	36420
	-
	Etanol Puro
	26790
	29720
	Metanol Puro
	19250
	-
	Fuelóleo N° 1
	40600
	42695
	Fuelóleo N° 2
	39765
	41860
	Gasóleo
	42275
	43115
	Gasolina
	43950
	46885
	Petróleo Bruto
	40895
	47970
	Querosene
	43400
	46500
Densidad o Gravedad Específica
La gravedad específica es la densidad del combustible dividido por la densidad del agua; ambos deben estar a la misma temperatura. En algunos casos se usa los grados A.P.I. (Instituto Americano del Petróleo) o grados Baumé:
		(1.2.2.1)
			(1.2.2.2)
Donde el peso específico del combustible se halla a 289K dividido por el peso específico del agua también a 289K.
Viscosidad
Se denomina así a la propiedad de un líquido a su resistencia a fluir. En términos prácticos indica la facilidad con la que un combustible puede ser bombeado o también atomizado. La viscosidad de los líquidos disminuye al aumentar la temperatura. Existen diferentes estándares para determinar la viscosidad. Algunas veces se usa el punto de escurrimiento como una medida de la viscosidad, éste se refiere a la temperatura más baja que un líquido pueda almacenarse y todavía sea capaz de fluir.
Punto de inflamación
Es una indicación de la temperatura máxima a la cual el combustible puede ser almacenado y manipulado sin el peligro de presentarse fuego. También se define esta propiedad como la temperatura más baja en la que el combustible puede arder en presencia de una flama.
Temperaturas de Autoignición
Se denomina así a la temperatura mínima requerida para iniciar una combustión autosostenible a la presión atmosférica y sin la presencia de una chispa o flama. La temperatura de ignición de los alcanos disminuye con el aumento del peso molecular. Por ejemplo, la temperatura de autoignición del isoctano es mayor que la del octano. En general se puede decir que las temperaturas de autoignición son un indicador de la dificultad de combustión de un combustible.
Punto de Humo
La medición del punto de humo es una prueba usada como indicador de la calidad de los combustibles para turbinas de aviación y kerosene. En esta prueba, una muestra de combustible es ubicada dentro de un candelabro y quemada por la lámpara del equipo para determinar la altura máxima formada por la llama sin formación de humo. La norma que rige esta propiedad es la ASTM D1322.
Tabla N° 4Temperaturas de Inflamación y Auto ignición
	Combustible
	 Temperatura de
Inflamación
°C / °F
	Temperatura de
Auto ignición
°C / °F
	Etanol (70%)
	16.6 °C (61.9 °F)
	363 °C (685 °F)
	Gasolina
	−43 °C (−45 °F) 
	280 °C (536 °F) 
	Diesel 2D
	>52 °C (126 °F) 
	256 °C (493 °F) 
	Jet Fuel A/ A1
	>38 °C (100 °F)
	210 °C (410 °F)
	Kerosene
	>38–72 °C (100–162 °F)
	220 °C (428 °F)
	Aceite Vegetal
	327 °C (621 °F)
	
	Biodiesel
	>130 °C (266 °F)
	
Fuente: NFPA 30: Flammable and Combustible LiquidsCode, 2012 Edition
Tipos de Combustible Líquido
La gasolinadel automóvil es una mezcla de hidrocarburos livianos destilados derivada de combinaciones del petróleo crudo refinado, mezcla de parafinas, oleofinas, naftalinas y materia aromática que varía de refinería a refinería debido al lugar y época del año. La gasolina debe ser lo suficientemente volátil como para evaporarse fácilmente en un motor, pero no tan volátil como para ser peligro de explosión durante su manipuleo. Las gasolinas tienen una relación de ebullición de 25-225°C. El Octano, que a veces es utilizado para representar a la gasolina, tiene un punto de ebullición de 125.6°C.
El combustible diésel es una mezcla de hidrocarburos livianos destilados con una relación de ebullición más alto que la gasolina. Las grandes industrias de equipos pesados y las naves marinasutilizan con frecuencia este combustible más pesado. Las propiedades para el diésel y la gasolina se muestran en la tabla siguiente:
Tabla N° 5Propiedades de Combustibles Automotores
	Propiedades
	Gasolina de Automóvil
	Diesel 
N° 2
	Methanol
	Etanol
	Gravedad específica a 16˚C
	0.72-0.78	0.85
	0.85
	0.796
	0.794
	Viscosidad cinemática a 20˚C (m2/s)
	0.8x10-6
	2.5x10-6
	0.75x10-6
	15x10-6
	Rango de Punto de Ebullición (˚C)
	30-225
	210-235
	65
	78
	Temperatura de Inflamación (ºC)
	-43
	52
	11
	13
	Temperatura de Auto ignición (ºC)
	370
	254
	464
	423
	N° de Octano (investigación)
	91-100
	--
	109
	109
	N° de Octano (motor)
	82-92
	--
	89
	90
	N° de Cetano
	< 15
	37-56
	< 105
	< 15
	Relación A/F Estequiométrica
	14.7
	14.7
	6.45
	9.0
	Calor de Vaporización (kJ/kg)
	380
	375
	1185
	920
	Poder Calorífico Inferior (MJ/kg)
	43.5
	45
	20.1
	27
Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K.
Comparando la gasolina y el diésel Nº2, se tiene que la densidad del combustible diésel es más alta, lo cual le da un mayor poder calorífico.
Se nota también menor volatilidad y mayor viscosidad del combustible diésel. La temperatura de auto igniciónmuestra la razón de la gran diferencia en el cetanaje si se toma en cuenta que el número de cetanomuestra la facilidad de la compresión de ignición.
Fig. 5Porcentaje de Evaporado
Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K
Los combustibles de las turbinas de gas no están limitados por requisitos de cascabeleo o ignición diferida y tienen un amplio rango de puntos de ebullición. El Kerosene es similar al combustible Jet A de un avión a propulsión; la gran diferencia está en el porcentaje de humedad. El jet fuel debe ser exento totalmente de humedad para evitarcristalización (congelamiento) del combustible en la altitud de vuelo donde las temperaturas están por debajo de los 0°C. El combustible jet B, que también es utilizado como combustible de avión de turbina a gas, tiene un rango de punto de ebullición más bajo que el combustible jet A. Los combustibles de turbina limitan las cantidades de ciertas trazas de metal como el vanadio y el plomo, lo cual tiende a formar depósitos en las aspas. La temperatura de inflamación del kerosene es 38ºC, y el punto de ebullición es 150ºC – 200ºC. La tendencia de formación de hollín (punto de humo) es controlada limitando el contenido de aromáticos a 25% por volumen. Los combustibles para la industria de turbinas a gas toman en cuenta consideraciones similares.
El combustible Fueloil[footnoteRef:3] (en inglés fuel oil), también llamado fuelóleo o combustóleo en otros países hispanohablantes, es una fracción del petróleo que se obtiene como residuo en la destilación fraccionada. De aquí se obtiene entre un 30 y un 50% de esta sustancia. Es el combustible más pesado de los que se puede destilar a presión atmosférica. Está compuesto por moléculas con más de 20 átomos de carbono, y su color es negro. El fueloil se usa como combustible para plantas de energía eléctrica, calderas y hornos. [3: Según la grafía recomendada por el Diccionario panhispánico de dudas] 
La figura 5 muestra una gráfica de temperatura versus porcentaje de líquido evaporado para diferentes combustibles.
El aceite combustible cubre un rango amplio de productos derivados que se han dividido en seis grados, aunque el grado 3 ha sido desechado; el grado N° 1 es kerosene y el grado N° 2 es aceite combustible doméstico. El aceite combustible N° 2 hierve entre 218 y 310ºC; las propiedades del aceite combustible se muestran en la Tabla 6. Los grados más pesados de aceite combustible se especifican por su viscosidad y son utilizados en la industria, en aplicaciones de servicio público y en algunos motores grandes. Los grados más pesados contienen cantidades de ceniza significativos. Para el grado Nº6 se requiere que se precaliente el aceite, lo mismo que para los grados Nº5 y Nº4, dependiendo del clima. El combustibleN°6 es un combustible residuo pesado, el cual queda después de completado todo el proceso de destilación; tiene alta viscosidad y tiende a contener relativamente altas cantidades de asfaltenos, sulfuro, vanadio y sodio. Los aceites combustibles residuales se queman directamente en algunos calderos, y pueden ser utilizados después algún tratamiento en turbinas a gas de industrias pesadas. El sulfuro es limitado a 0.5% para los aceite combustible Nº1 y Nº2, pero puede alcanzar un 4% para el aceite combustible Nº6.
Tabla N° 6Propiedades Típicas de los Fuelóleos
	Grado
	1
	2
	4
	5
	6
	Propiedad
	Kerosene
	Destilado
	Residual muy Ligero
	Residual Ligero
	Residual
	Color
	Claro
	Ámbar
	Negro
	Negro
	Negro
	Gravedad Específica, a 16ºC
	0.825	
	0.865
	0.928
	0.953
	0.986
	Viscosidad cinemática a 38ºC (m2/s)
	1.6x10-6		
	2.6x10-6	
	15x10-6
	50x10-6
	360x10-6
	Punto de escurrimiento (ºC)
	< -17	
	< -18
	-23
	-1	
	19
	Punto Flash (ºC)
	38
	38
	55
	55
	66
	Temperatura de Auto ignición (ºC)
	230
	260
	263
	-
	408
	% de Carbono
	86.5
	86.4
	86.1
	85.5
	85.7
	% Residuo de carbono
	Traza
	Traza
	2.5
	5.0
	12.0
	(%)Hidrógeno
	13.2
	12.7
	11.9
	11.7
	10.5
	Oxígeno (%)
	0.01
	0.04
	0.27
	0.3
	0.38-0.64
	Ceniza (%)
	46.2
	45.4
	43.8
	43.2
	42.4
Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K.
A medida que los recursos petroleros disminuyen, otras alternativas de combustibleshidrocarburíferos comenzarán a crecer en importancia. Los combustibles líquidos pueden provenir de carbón, biomasa, aceite de esquisto, arena de alquitrán y gas natural. El metanol (CH3OH) puede obtenerse del gas natural, carbón o madera; el etanol (C2H5OH) puede obtenerse de remolacha de azúcar, maíz, o madera. Se puede sustituir el combustible diésel con aceites vegetales como el aceite de soya y el gas natural. La realización de esas alternativas depende primordialmente de la economía del proceso relacionado al petróleo. Sin embargo, puede jugar un papel muy importante también la demanda de regulación de emisiones de gases. Por ejemplo, el éter dimetil que puede obtenerse del gas natural es un excelente diésel que no genera humo. Como se indica en la Tabla N° 5, el poder calorífico del metanol y del etanol es menor que otros combustibles derivados del petróleo por su contenido de oxígeno, sin embargo actualmente su uso es ampliamente difundido. Cuando se calienta el aceite de esquisto, su contenido resinoso se descompone en un líquido aceitoso del cual se puede obtener petróleo crudo (syncrude). De manera similar, la arena de alquitrán da lugar al syncrude que puede ser refinado para obtener diversos combustibles.
Asimismo, se está considerando reemplazar el petróleo con suspensiones de carbón pulverizado disuelto en agua. Se ha demostrado que este tipo de combustible, que contiene de 25 a 30% de agua,es estable para el bombeo y quemado en ciertos calderos. 
Características de la Gasolina
Debido a que la gasolina es el derivado del petróleo más consumido, la determinación de su calidad es de gran importancia. Para la mayoría de los consumidores, la gasolina se valora de acuerdo a su octanaje y precio. Sin embargo, la determinación de calidad de la gasolina es bastante complicada e involucra muchos factores, y la variación de la calidad de gasolina podría ser enorme si no fuera por el hecho de que la mayoría de las refinerías producen gasolinas bajo los parámetros y especificaciones establecidas por la Sociedad Americana para Ensayos de Materiales (Especificaciones ASTM D4814). La Tabla N° 7muestra una lista de estos métodos de ensayo. Pese a esta lista de especificaciones, existen otras propiedades también de importancia, como la densidad, tensión superficial, viscosidad, compatibilidad con materiales, y rango estequiométrico de Aire/Combustible. La lista de especificaciones cambia y se incrementa constantemente; por ejemplo, el cambio de carburador a combustible a inyección en automóviles trajo consigo problemas de depósitos en los inyectores, lo cual impulsó a encontrar aditivos para prevenir la formación de dichos depósitos. Al mismo tiempo, las especificaciones relacionadas al trabajo de los carburadores disminuyeron en importancia.
La volatilidad del combustible afecta el performance de encendido, la operación de los vehículos y las emisiones de gases en carretera o durante el llenado de tanque. Los efectos en el performance pueden ser severos si se tiene formación de vapor en el sistema de combustión, el cual reduce el flujo del combustible. El conductor puede tener problemas de conducción como jaloneos, contra explosiones, funcionamiento áspero o intermitente, una corta y violenta reducción de la aceleración después de que el vehículo se pone en movimiento y en cambios cíclicos de potencia. El control del circuito cerrado del combustible, el uso de un sensor de oxígeno en el escape para controlar el flujo de aire de entrada y de combustible, puede aliviar estos problemas.
Tabla N° 7Especificaciones de Gasolinas
	Especificación
	Método
ASTM
	Importancia
	Volatilidad de destilación		
	D860
	Mejor funcionamiento clima frío
No congelamiento de carburador
Fácil encendido en caliente 
Vaporización en líneas de combustible
Pérdida por evaporación en el Carburador
Depósitos en cárter, cámaras de combustión, y en bujías
	Relación de vaporalíquido		
	D2533, D5188
	Vaporización en líneas de combustible
	Presión de vapor		
	D323, D5190
	Encendido a baja temperatura
Pérdidas de vapor del tanque de combustible
Vaporización en líneas de combustible
	N° de Octano Investigación	
	D2699
	Cascabeleo de baja-a-mediana velocidad
	N° de Octano Motor 	
	D2700	
	Cascabeleo en elevadas RPM
Cascabeleo a media máquina
	Indices Anticascabeleo
	--
	(N° de Octano motor + N° de octano Investigación)/2.
	Estabilidad a la oxidación
	D130
	Mayor vida útil de sistema de combustible
	Goma existente
	D381
	Depósitos de sistema de inducción
	Estabilidad de oxidación
	D525
	
	Contenido de Azufre
	D1266
	Emisión de escape, depósitos del motor y desgaste
	Aditivos anti cascabeleo
	D2599
	
	Contenido de plomo
	D3229
	Deterioración de catalizador
	Contenido de manganeso	
	D3831
	Emisiones de hidrocarburos del motor
Deterioro del sensor de oxígeno
Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K.
Características de Combustible Diesel
Las especificaciones del combustible diésel se muestran en la Tabla N°8. El combustible 1D es utilizado para aplicaciones en clima frío, el 2D es el combustible para vehículos a diésel más común. Ambos son muy similares a los aceites de calefacción Nº1 y Nº2, por lo que compiten cuando hay demanda. El diésel Nº4D es utilizado para motores de velocidad media abaja de aplicación estacionaria. En términos de consideraciones de combustión, los principales factores son la viscosidad y el número de cetanaje. Las emisiones de partículas son afectadas adversamente por el contenido alto de azufre y aromatizantes. Pese a que el efecto primario de bajo número de cetanaje es evitar problemas de encendido en frío, la reducción de número de cetanaje puede también incrementar problemas de funcionamiento áspero,y emisiones de NO(óxido de nitrógeno). Típicamente, los motores de turbo son más tolerantes a un número bajo de cetano durante operaciones de flujo estacionario
Así como en el caso de la gasolina, los combustibles diésel pueden mejorarse agregando aditivos.
Tabla N° 8Especificaciones del Diésel ASTM D975
	Propiedades
	N° 1D
	N° 2D
	N° 4D
	T. de Inflamación °C
	38
	52
	55
	T. de Turbidez °C
	Req. Local
	Req. Local
	Req. Local
	Agua y sedimentos %, máx.
	0.05
	0.05
	0.05
	Residuos de Carbón %, máx.
	0.15
	0.35
	-
	Ceniza % en peso máx.
	0.01
	0.01
	0.1
	Punto de destilación 90% °C
	288
	282-338
	-
	Viscosidad a 40°C (cSt)
	1.3-2.4
	1.9-4.1
	5.5-24
	% máx. de Azufre
	0.05
	0.05
	2.0
	N° de Cetano
	40
	40
	30
Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K.
Características de Combustibles de Turbinas
Las especificaciones para jet fuel combustible son más precisasque para gasolina o diésel por razones de seguridad y durabilidad del motor. La Tabla N°9muestra las especificaciones ASTM para combustibles de turbina no militares. Las consideraciones importantes de combustión son la formación de hollín, la radiación termal subsecuente y las características de la aspersión de la tobera como resultado de la viscosidad del combustible y de la tensión superficial. Hasta el momento se ha realizado un intenso trabajo para encontrar aditivos de combustible para aviones que reduzcan el esparcimiento de fuego cuando el combustible es incontenible durante un accidente. El combustible Jet A es un tipo de kerosene con un alto punto de inflamación. El combustible Jet B es un destilado con un amplio rango de volatilidad. El combustible Jet A-1 tiene un punto de enfriamiento más bajo que el Jet A.
Tabla N° 9Especificaciones ASTM de Combustibles de Turbinas de Aviación
	Propiedad
	Unidad
	Jet A o A1
	Jet B
	Acidez
	Mg KOH/g máx.
	0.1
	-
	Sulfuro de Mercaptano
	% en pesomáx.
	0.003
	0.003
	Azufre total
	% en peso máx.
	0.3
	0.3
	Aromáticos
	% volumen máx.
	22
	22
	Densidad
	kg/m3a 15°C
	775 a 840
	751 a 802
	T. de destilación al 90%
	°C
	--
	245
	Presión de vapor
	kPa a 38°C, máx.
	--
	21
	Viscosidad
	cSt a -20°C
	8
	--
	Punto de congelamiento
	°C, mín.
	-40 (Jet A)
-47 (Jet A1)
	-50
	T. de Inflamación
	°C
	38 (Jet A)--
	--
	Poder Calorífico
	MJ/kg, mín.
	42.8
	42.8
	Punto de Humo
	mm, mín.
	25
	25
	Goma existente
	mg/100 ml, máx.
	7
	7
Fuente: Combustion Engineering, Bormam, G. y Ragland, K.
1.2.3. Octanaje y Cetanaje de los Combustibles
Octanaje
Esta propiedad se aplica a combustibles líquidos pero también a los gaseosos, sobre todo a aquellos utilizados en motores de combustión interna. El octanaje o número de octano indica la tendencia de una gasolina a autoignicionarse dentro de la cámara de combustión cuando la relación de compresión en un motor de combustión interna por chispa se aumenta. El número de octano de un combustible se mide por comparación entre el comportamiento de dicho combustible y el comportamiento de una mezcla de iso-octano y n-heptano en un motor de combustión por chispa estandarizado. Al iso-octano se le asigna arbitrariamente el número 100 y al n-heptano se le asigna el número 0. Esta tendencia de autoignición de un combustible también se la conoce en la jerga de los mecánicos automotrices como “cascabeleo”. El iso-octano es el combustible líquido más resistente a la autoignición o cascabeleo, comparado con todas las gasolinas existentes en el tiempo que la escala fue creada. Una mezcla de 10% de n-heptano y 90% de iso-octano tendrá un número de octano de 90. El octanaje de un combustible se determina probando qué mezcla (heptano/octano) tiene la misma resistencia que el combustible que se está probando. Existen dos protocolos para determinar el octanaje: el primero es el método ASTM D2699 RON llamado de investigación y, el segundo, es el método ASTMD2700 MON o llamado método motor; en este último método, las condiciones de operación del motor son mucho más severas, es decir proclives a que haya cascabeleo. El motor utilizado en ambos métodos es un robusto motor de cuatro tiempos con válvulas en la parte superior, diámetro de 82.6 mm y 114.3 mm de carrera. El motor está diseñado para variar su relación de compresión de 3 a 30 a través de un mecanismo que sube o baja el cilindro y el ensamble de la culata con el cilindro. El motor está equipado con un carburador con dos depósitos, uno para el combustible de prueba y el otro para la mezcla heptano/octano.
Tabla N° 10Condiciones de Operación de Prueba de Octanaje
	Variables
	ASTM D2699
	ASTM D2700
	Temperatura de Entrada
	52°C
	
	Presión de Entrada
	Atmosférica
	Atmosférica
	Humedad
	0.0036 a 0.0072 kg/kg aireseco
	0.0036 a 0.0072 kg/kg aireseco
	Temperatura de Enfriamiento
	100°C
	100°C
	Velocidad del Motor
	600 RPM
	900 RPM
	Avance de Chispa
	13° BTC
	19-26 °BTC
	Relación Aire/Combustible
	Ajustado para la máxima autoignición
	Ajustado para la máxima autoignición
Fuente: Internal Combustion Engine Fundamentals John B. Heywood Edit. McGraw Hill
Tabla N° 11Octanaje de diferentes combustibles y gasolinas
	Combustible
	RON
	MON
	Hexadecano
	< −30
	
	n-octano
	−20
	
	n-heptano (RON y MON 0 por definición)
	0
	0
	diésel
	15–25
	
	2-methylheptane
	23
	23.8
	n-hexano
	25
	26.0
	1-pentano
	34
	
	1-heptano
	60
	
	n-pentano
	62
	61.9
	Requerimiento típico para un motor de dos tiempos
	69
	65
	Gasolina Regular en Bolivia
	85
	
	Gasolina Premium en Bolivia
	95
	
	Gasolina regular en Indonesia
	88
	78
	Gasolina regular en Japón
	90
	
	n-butanol
	92
	71
	Neopentano 
	
	80.2
	Gasolina regular en Australia, Nueva Zelanda, Canadá y los EEUU
	91–92
	82–83
	Gasolina regular sin plomo en Europa
	95
	85–86
	Gasolina "Premium" en EEUU (mezcla con 10% etanol)
	97
	87-88
	Gasolina Premium en Japón
	100
	
	t-butanol
	103
	91
	2,3,3-trimethylpentane
	106.1
	99.4
	Etano
	108
	
	Tolueno
	121
	107
	Propano
	112
	97
	Isopropanol
	118
	98
	1-Propanol
	118
	
	Metanol
	108.7
	88.6
	Etanol
	108.6
	89.7
	Metano
	120
	120
	Hidrógeno
	> 130
	
El Octanaje y la Altura
Considerando que la autoignición de un combustible en una cámara de combustión es función de la presión absoluta dentro de la cámara, en lugares de altitud elevada el efecto de cascabeleo será menor debido a la menor presión atmosférica existente: En algunos países como los EEUU, la gasolina que se vende en lugares de altitud presenta menor octanaje.
Cetanaje
La calidad de ignición de un combustible se define por el número de cetano. El método usado para determinar la calidad de emisión en términos del número de cetano es análogo al usado para determinar el número de octano. La escala de ese octanaje se define por la mezcla de dos hidrocarburos, el cetano (n-hexadecano, C16H34) un hidrocarburo con alta calidad de ignición, asignándole el valor de 100; el otro es el isocetanoheptametilnonano (HMN), el cual representa la base de la escala con un número asignado de 15. Así, el número de cetano CN está dado por la siguiente fórmula: 
		(1.2.3.1)
El motor que se utiliza para determinar esta propiedad es muy similar al usado en la gasolina; sin embargo, la norma que rige esta prueba es la ASTMD613 y las condiciones de operación están incluidas en la siguiente tabla:
Tabla N° 12Condiciones de Operación de acuerdo a ASTMD613
	Variables
	ASTM D613
	Temperatura de Entrada
	65.6°C
	Presión de Entrada
	10.3 MPa
	Temperatura de Enfriamiento
	100°C
	Velocidad del Motor
	900 RPM
	Avance de Chispa
	13° BTC
	Relación Aire/Combustible
	Ajustado para la máxima autoignición
Fuente: Internal Combustion Engine Fundamentals John B. Heywood Edit. McGraw Hill
Debido al elevado costo de esta prueba, se ha creado otras pruebas basadas en propiedades físicas del combustible. Por ejemplo, se utiliza el índice de Cetano (CCI) ASTM D976. Este protocolo se basa en la densidad API y el punto medio de ebullición; esta prueba está directamente relacionada a la composición química del combustible, los diésel parafínicos tienen alta calidad de ignición y los diésel aromáticos y nafténicos tienen pobre calidad de ignición. Otra prueba utilizada es la determinación del punto de anilina ASTM D611, que consiste en determinar la temperatura más baja a la cual dos volúmenes iguales de combustible y anilina puede ser mezclados:
		(1.2.3.2)
El índice de diésel depende de que los hidrocarburos aromáticos se mezclen completamente con la anilina a temperaturas bajas, mientras que las parafinas requieren mayores temperaturas antes de ser totalmente miscibles. De igual manera, una alta densidad API denota baja gravedad específica y alto contenido de parafinas, lo que supone una alta calidad de ignición. El índice de diésel generalmente arroja valores ligeramente por encima del número de cetano, lo cual es aceptable para referencias.
1.2.4. Propiedades de los combustibles Gaseosos
El Poder Calorífico
Es una de las propiedades más importantesde un combustible. Se expresa para los combustibles gaseosos y líquidos porunidad de volumen en condiciones normales. El valor del poder calorífico va a variar mucho dependiendo del tipo de gas y composición del mismo. Los componentes no combustibles de un combustible van a bajar el rendimiento calorífico de la combustión; a pesar de esto, a veces un combustible de calidad inferior, pero que sea subproducto de un proceso industrial, puede ser más ventajoso económicamente.Las unidades del poder calorífico son kcal/m3; Btu/ft3; Cal/L. La unidad de volumen puede estar en: 
- Condiciones normales (N)m3: Volumen medido a Presión Normal: 1 atm, Temperatura Normal: 0ºC.
- Condiciones estándar (S)m3: Volumen medido a Presión estándar: 1 atm,Temperatura estándar (S): 15,6ºC.
- Condiciones estándar ambiente (STAP) Volumen medido a Presión estándar: 1 atm y Temperatura ambiente 25°C.
El Calor Específico
Otra propiedad importante del combustible es el calor específico. Se define éste como la cantidad de calor requerida para que la unidad de masa de gas aumente su temperatura 1ºC. Las unidades son cal/gºC; kcal/kgºC; Btu/lbºF. Al aumentar la temperatura existe una dilatación; es por ello que se definen los siguientes calores específicos:Calor específico a volumen constante (Cv). Calor específico a presión constante (Cp). Cv es menor que Cp, ya que se debe tener en cuenta el trabajo de expansión. Existe una relación entre estos dos valores: K= Cp/Cv, donde K es igual a: 1.67 para Gas monoatómico; 1.40 para Gas diatómico; 1.33 para Gas triatómico.
Índice de Wobbe (W)
El Índice de Wobbe (W) es un parámetro importante cuando se quiere mezclar gases combustibles y el aire (en una reacción de combustión). Se controla este índice para asegurar la combustión satisfactoria en un quemador. Es además un indicador de intercambiabilidad de combustibles como el gas natural, gas licuado de petróleoy otros gases. 
El índice de Wobbe puede ser expresado matemáticamente como:
			(1.1.4.1)
Donde:
es el Índice de Wobbe superior; 
es el poder calorífico superior;
es la densidad relativa del gas.
El índice de Wobbe permite determinar la intercambiabilidad de dos gases mejor que el poder calorífico del combustible. El comportamiento de la llama, al intercambiar dos gases combustibles, es función del poder calorífico superior y de la densidad del gas. Particularmente, para gases con composición similar, el índice de Wobbe es un buen indicador del desempeño de los dos gases. Aunque el índice de Wobbe es una manera fácil y efectiva de medir la intercambiabilidad, la industria reconoce históricamente que este índice por sí solo no es suficiente ya que no predice adecuadamente todos los fenómenos de combustión. Otros factores que deben de identificarse paradeterminar la intercambiabilidad de un gas, además del índice de Wobbe, son: 
1) la misma estabilidad de llama, con ausencia de desprendimiento de llama y ausencia de retroceso de llama;
2) idéntica calidad de combustión, (relación de volúmenes de CO y CO2 inferior al límite máximo admitido);
3) el mismo rendimiento de combustión;
4) la mismacantidad de aire que se necesita para obtener la combustión y la misma temperatura de rocío en los humos;
5) el mismo factor de aireación.
Poder comburívoro o aire teórico
Es la cantidad de aire necesaria para asegurar la combustión de 1 m3 de gas. Suele expresarse en m3N aire/m3N de gas.
Poder fumígeno (humos o gases de combustión)
Conjunto de productos en estado de gas que se obtiene en el proceso de combustión. Se trata del volumen expresado en Condiciones Normales de los gases de combustión que se obtienen en la combustión completa de 1 Nm3 de gas asociado a una cantidad de aire igual a la teórica. Se pueden distinguir:
Humos secos: No se considera el vapor de agua
Humos húmedos: Se considera el vapor de agua
Se expresan en Nm3 humos/Nm3 de gas
Clasificación de los gases combustibles según familias
Los gases se clasifican en familias de acuerdo al índice de Wobbe; aquellos gases que son de la misma familia tienen mayor facilidad de intercambiabilidad entre sí.
Tabla N° 13Gases Combustibles según Familias
	PRIMERA FAMILIA
	Índice de Wobbe comprendido entre 5.700 y 7.500  kcal /m3(n). Pertenecen a esta familia el gas manufacturado, el gas de coquería y el gas de mezcla hidrocarburo-aire de bajo índice de Wobbe.
	SEGUNDA FAMILIA
	 Índice de Wobbe  comprendido entre 9.680 y 13.850 kcal/m3(n). Pertenecen a esta familia los gases naturales  y las mezclas hidrocarburo-aire de alto índice de Wobbe (aire propanado).
	TERCERA FAMILIA
	Índice de Wobbe  comprendido entre 18.500 y 22.070 kcal/m3(n). Pertenecen a esta familia  los GLP (gases licuados del petróleo), propano, butano...
Fuente: www.dcgasextremadura.es/gas.htm
Análisis Volumétrico
Los gases varían de acuerdo a la variación en tantos por ciento en volumende los distintos componentes del gas a utilizar,referidos a Condiciones Normales o Condiciones Estándar.
Densidad Relativa
Se indica la densidad relativa del gas con respecto al aire, referida al gas seco y en condicionesnormales (Condiciones normales 1.01325bar y273K).
1.3. Combustión Estequiométrica
Se denomina así a la combustión que se realiza con la cantidad teórica de oxígeno estrictamente necesaria para producir la oxidación total del combustible sin que se produzcan productos no quemados o parcialmente quemados. En consecuencia, no se encuentra O2 en los humos ya que dicho O2 se consumió totalmente durante la combustión. También se puede definir como la cantidad mínima necesaria de aire para la combustión total de una unidad másica de combustible.
Cuando una molécula pasa por una reacción química, los átomos reactantes son reordenados para formar una nueva combinación. Por ejemplo el hidrógeno y el oxígeno reaccionan para formar agua:
Dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno forman una molécula de agua, y el número de átomos de hidrógeno y oxígeno debe ser igual en ambos lados de la ecuación. Tal reacción representa la condición inicial y final pero no indica cuál ha sido el camino real de la reacción, la cual puede haber tenido muchos pasos intermedios con especies intermedias. Esta forma de análisis es similar a la que se usa en termodinámica, donde el estado inicial y final son los importantes y no así la trayectoria o los mecanismos utilizados para ir de un punto a otro.
Con la ecuación anterior se debe hacer un análisis másico de la misma a partir de los pesos moleculares:
1 volumen de H2 +1/2 volumen de O2=1 volumen de H2O
Las relaciones anteriores permiten afirmar que las masas de los productos son iguales a las masas de los reactantes; sin embargo, los moles o volúmenes de los productos no son iguales a los volúmenes de los reactantes.
Composición del Aire Atmosférico
Siendo el aire la sustancia donde se encuentra el oxígeno como elemento combustor de toda combustión, es importante hacer una pequeña referencia al aire atmosférico y su composición:
Tabla N° 14Composición del Aire Atmosférico Seco
	Gas
	Volumen (%)
	Presión (mmHg)
	Oxígeno O2
	20.98
	159.34
	Dióxido de Carbono CO2
	0.04
	0.3
	Nitrógeno N2
	78.06
	593.25
	Otros
	0.92
	6.99
	Total
	100
	760
Fuente: Combustion Hand Book CRC Press 2001
Para efectos de cálculo, es conveniente aproximar el aire seco a una mezcla de 79% en volumen de nitrógeno molecular y 21% de oxígeno molecular, es decir 3.764 moles de N2 por un mol de O2. Así, el peso molecular del aire es de 28.96 g/mol.
Cuando un combustible que tiene carbón, hidrógeno y oxígeno es quemado completamente con una cantidad de aire estequiométrica, se usa la siguiente expresión para hallar su balance másico:
(1.3.1)
Dondeson los subíndices de la composición del combustible o hidrocarburo.
En la anterior expresión se aprecia que los reactantes están compuestos por el combustible (hidrocarburo) y el comburente (aire), y los productos de la combustión son gases calientes, en muchos casos en estado de luminiscencia o comúnmente denominado fuego. Estos gases calientes son la energía térmica