Combustion

Vista previa del material en texto

1 
FACULTAD: INGENIERIA MATERIA: ING. De 
PLANTA 
CARRERA: ING. INDUSTRIAL PLAN 1.999 
 
COMBUSTION 
 
La combustión es un conjunto de reacciones químicas que tienen como resultado 
la liberación de energía térmica por efecto de la rápida combinación del oxígeno del aire 
con los distintos elementos que constituyen el combustible. Como subproducto de estas 
reacciones se generan gases residuales de combustión que deben ser desechados. 
 
Podemos entonces representar este proceso en forma genérica como: 
 
 Combustible + O2 (del aire) ---->Gases de Combustión + Q (Calor) 
 
La importancia del estudio de la combustión está basada en el uso que se le da a 
la energía liberada en forma de calor. Los principales usos de esta energía son: 
 
 1) Producción de trabajo mecánico en motores térmicos. 
 2) Como agente de calefacción. 
 
El uso de los combustibles en motores térmicos para la producción de trabajo no 
será desarrollado en este curso. El uso de los combustibles para calefacción puede ser 
realizado en forma directa o indirecta, en este último caso debe emplearse otro fluido 
intermediario como transportador de la energía, generalmente vapor de agua. 
 
La generación y empleo de vapor de agua como agente de calefacción industrial y 
domiciliario será estudiado posteriormente, en otro tema del programa. 
 
REACCIONES DE COMBUSTIÓN 
 
Las reacciones de oxidación, dependen de la naturaleza del combustible utilizado, 
los principales componentes de este, en general son: carbono, hidrógeno, oxígeno, 
nitrógeno, azufre y cenizas o impurezas minerales. El nitrógeno y las sales minerales no 
intervienen directamente en el proceso de combustión, aunque si afectan su desarrollo y 
cálculo de las instalaciones. 
 
Los elementos del combustible que liberan calor en las reacciones de combustión, 
son: el carbón, el hidrogeno y el azufre. 
 
Las reacciones de combustión de estos elementos son: 
 
 C + O2 ---> CO2 + Q Q = H = - 94,05 Kcal/mol = - 7838,0 Kcal/Kg 
 
H2 + 1/2 O2 ---> H2O + Q Q = H = - 57,80 Kcal/mol = - 28900,0 Kcal/Kg 
 
 S + O2 ---> SO2 + Q Q = H = - 70,96 Kcal/mol = - 2217,5 Kcal/Kg 
 
El oxígeno necesario para la oxidación proviene en pequeña proporción del 
oxígeno que trae el combustible, en caso de que lo tenga y del aire. Podemos clasificar a 
las reacciones de combustión de la siguiente manera: 
 
2 
 
 Combustión Completa o Perfecta: cuando las reacciones están totalmente 
desplazadas a la derecha, independientemente del exceso de aire utilizado. 
 
 Combustión Estequiométrica: es la combustión completa cuando no hay exceso 
de aire. 
 
 Combustión Incompleta: es cuando el oxígeno suministrado no es suficiente, 
produciéndose la formación de monóxido de carbono en lugar de dióxido y la 
aparición de restos de combustible no quemados (inquemados), como H2 y C. 
 
Cuando parte del combustible queda sin quemar, solo obtenemos una porción de 
la energía disponible en el mismo y se produce la aparición de inquemados en las cenizas 
o en los gases de combustión. 
 
La reacción de combustión parcial del carbono con oxígeno que da como resultado 
 CO y es la siguiente: 
 
 C + 1/2 O2 = CO + Q Q = H = - 26,42 Kcal/mol = - 2201 Kcal/Kg 
Vimos anteriormente que la cantidad de energía liberada cuando el carbono se 
oxida totalmente a dióxido de carbono es Q = - 7838 Kcal/Kg y cuando la reacción 
química produce monóxido de carbono, la energía liberada es inferior. 
 
El porcentaje de la energía perdida por la combustión incompleta del Carbón se 
calcula de la siguiente forma: 
 %91,711007838
)22017838(
. 

 xPE erdidanergía 
 
Este valor es muy significativo desde el punto de vista económico, además del 
efecto indeseado de la polución del ambiente por la presencia de CO. 
 
La energía total liberada por 1 Kg de combustible sólido o líquido, o bien por 1 m3 
de combustible gaseoso, es conocida como Poder calorífico. 
 
El poder calorífico que nos interesa en la práctica es el calorífico inferior, ya que 
los gases de combustión arrastran el agua formada en la misma en forma de vapor. 
 
El mecanismo de las reacciones de combustión, ocurre salvo en el caso de carbón, 
en fase gaseosa y a través de una sucesión de rápidas reacciones en cadena, debido a la 
alta velocidad de estas reacciones, la velocidad global del proceso está dada y limitada 
por factores externos al proceso químico, tales como la concentración, velocidad y grado 
de mezcla de los reactivos. Es decir que los factores que controlan la combustión están 
más relacionados a factores físicos que a los químicos y esto se tiene en cuenta en el 
dimensionamiento y selección de las instalaciones para producir la combustión. 
 
CÁLCULOS RELATIVOS A LA COMBUSTIÓN 
 
En todo proceso de combustión se debe conocer: 
 
 
3 
 1) La cantidad de aire necesario o aire estequiométrico. 
 2) El exceso de aire requerido. 
 3) La cantidad y composición de los gases de la combustión. 
 
Para realizar estos cálculos suponiendo una oxidación estequiométrica (siendo la 
manera más simple de aproximarse a los sistemas reales de combustión), es 
absolutamente necesario conocer la composición del combustible, es decir disponer del 
análisis químico o elemental. El análisis químico depende de la naturaleza del 
combustible. Para sólidos y líquidos viene expresado en tanto por ciento o bien en tasa 
unitaria en peso, mientras que para combustibles gaseosos viene expresado en como 
fracción molar o composición volumétrica. 
 
Estos cálculos teóricos son requeridos para diseñar y/o controlar la operación de 
un sistema de combustión. 
 
En cualquiera de los casos anteriores, debe considerarse si el agua que forma 
parte del combustible está incluida o no en el análisis, es decir la composición se expresa 
en base seca o en base húmeda. La forma de pasar de una base a otra sería: 
 
 C(s) = C (h) / (1 - H20) 
 H(s) = H (h) / (1 - H2O) 
 S(s) = S (h) / (1 - H2O) 
 
De igual manera para todos los constituyentes del combustible, sean gaseosos, 
sólidos o líquidos. 
 
Cuando se desconoce la composición del combustible, la determinación de la 
cantidad de aire necesario o aire estequiométrico, la determinación de la cantidad y 
composición de los gases de combustión y la determinación del exceso de aire requerido, 
se realiza utilizando métodos aproximados con gráficos o diagramas para distintos tipos de 
combustibles, para lo cual basta conocer algunas de las propiedades físicas del 
combustible. 
 
DETERMINACIÓN DE LA CANTIDAD DE AIRE NECESARIO PARA QUEMAR 
COMBUSTIBLES SÓLIDOS O LÍQUIDOS 
 
Dado un combustible como ejemplo, con la siguiente composición: 
 
 Carbón--------------0,82 
 Hidrógeno----------0,10 
 Azufre --------------0,04 
 Otros ---------------0,04 (N2, O2, Cenizas, Agua) 
 
Y en forma general podemos expresar los elementos que son combustibles de la 
siguiente manera: 
 Carbón ---------------C 
 Hidrogeno-----------H 
 Azufre ----------------S 
 
 Dónde: 
 
 C representa la fracción unitaria de carbón en peso por kg de combustible 
 
4 
 C KgCarbón/KgComb 
 H representa la fracción unitaria de hidrógeno en peso por kg de combustible 
 H KgHidrógeno/KgComb 
 
 S representa la fracción unitaria de azufre en peso por kg de combustibleS KgAzufre/KgComb 
 
 La determinación del oxígeno necesario para la combustión completa de cada uno 
de estos elementos se realiza a partir de las reacciones individuales de oxidación de cada 
uno. 
 
Escribiendo la reacción estequiométrica para el carbón tenemos: 
 
C + O2 CO2 
1 mol 1 mol 1 mol 
12 Kg 32 Kg 44 Kg 
 
Donde el oxígeno necesario para la combustión de 1 kg de Carbono está dado por: 
 
CarbónCarbón
Carbón Kg
KgO
Kg
KgOO 22 67,2
12
32
 
Y el oxígeno necesario para la combustión del carbono en 1 kg de combustible será 
entonces 
CombComb
Carbón
Carbón
CarbónCComb Kg
KgOC
Kg
Kg
Kg
KgOCCOO 22 .67,2..67,2. 











 
 
Donde C representa como se dijo la fracción unitaria de carbón que hay por cada kg de 
combustible. 
 
Análogamente para el hidrógeno resulta: 
 
H2 + 1/2 O2 H2O 
1 mol 1/2 mol 1 mol 
2 Kg 16 Kg 18 Kg 
 
Donde el oxígeno estequiométrico necesario para la combustión de 1 kg de Hidrógeno 
está dado por: 
HidrógenoHidrógeno
Hidrógeno Kg
KgO
Kg
KgOO 22 8
2
16
 
 
Y el oxígeno necesario para la combustión del Hidrógeno en 1 kg de combustible será 
entonces 
 
CombComb
Hidrógeno
Hidrógeno
HidrógenoHComb Kg
KgOH
Kg
Kg
Kg
KgOHHOO 22 .8..8. 













 
 
 
 
 
5 
De igual forma para el Azufre tenemos 
 
S + O2 SO2 
1 mol 1 mol 1 mol 
32 Kg 32 Kg 64 Kg 
 
Donde el oxígeno estequiométrico necesario para la combustión de 1 kg de Azufre está 
dado por: 
AzufreAzufre
Azufre Kg
KgO
Kg
KgOO 22 1
32
32
 
Y el oxígeno necesario para la combustión del Azufre en 1 kg de combustible será 
entonces 
CombComb
Azufre
Azufre
AzufreAComb Kg
KgOS
Kg
Kg
Kg
KgOSSOO 22..1. 













 
 Como ya se dijo el nitrógeno se considera un inerte, y no consume oxígeno del aire. Si 
Ocomb es el oxígeno que forma parte del combustible, este debe ser descontado en 
cantidad equivalente al aporte que debería realizar el aire. De esta forma la cantidad de 
oxígeno total necesaria para la combustión de 1 Kg de combustible será: 
 
CombACombHCombCCombOxígeno OOOOW  
O bien: 
CombOxígeno OSHCW  .8.67,2 
 
Dónde: C, H y S representan el peso de carbón, hidrógeno y azufre expresados en tanto 
por 1, para 1 kg de combustible. 
 
Algunos autores escriben esta ecuación en forma ligeramente distinta, pues consideran 
que el oxígeno del combustible se combina con parte del hidrógeno del mismo para formar 
agua, de forma que el hidrógeno que se combina con oxígeno del aire resulta ser 
solamente: 
 
)
8
( OH  
Quedando la anterior como: 
SOHCWOxígeno  )8
.(8.67,2 





bledecombusti
oxígenode
kg
kg .
 
 
La masa de aire necesaria para suministrar esta cantidad de oxígeno dependerá de la 
composición en peso del aire, por lo cual se toma un valor promedio para el aire seco 
integrado solo por nitrógeno y oxígeno en la proporción de 76,8 % N2 y 23,2 % O2, resulta: 
 
6 
 mína
Oxígeno
mínimoaire W
W
W .. 232,0

 
SOHCW mína  31,4)8
(5,345,11. 





bledecombusti
deaire
kg
kg
 
Es la masa mínima de aire expresada en Kg para producir la combustión 
estequiométrica de 1 Kg de combustible seco de composición C, H, S y O. 
 
 Si se utiliza esta cantidad de aire en los combustibles sólidos y líquidos en la 
práctica, la combustión no es completa. Parte del carbono se oxidará parcialmente a 
monóxido en lugar de convertirse totalmente en dióxido de carbono. La energía perdida 
entonces es igual al producto de la cantidad de carbono C quemado parcialmente por la 
diferencia de los calores de combustión: 
 . (7838 2200) 5638nergía erdidaE P C C     





combkg
kcal
 
El valor del carbono quemado parcialmente, se determina con el análisis de los gases de 
combustión. 
 
 Para evitar este efecto y que además algo de hidrógeno o azufre quede sin quemar, 
normalmente se utiliza un exceso de aire, que depende del tipo de combustible usado, del 
diseño del equipo de combustión (quemador o parrilla), de la forma del hogar o cámara de 
gases, etc. 
 Llamando Wa a la masa real de aire necesario para que la combustión sea 
completa, podemos definir el exceso de aire como: 
 
min
min )(
a
aa
W
WWe  O bien en forma porcentual: eE 100 
 
De estas ecuaciones podemos despejar la masa real de aire a utilizar: 
 
 )1(. minminmin eWeWWW aaaa  
 
Definiendo el coeficiente de exceso de aire: )1( en  
 
Queda finalmente: minaa WnW  



  SOHCnWnW mínaa 31,4)8
(5,345,11.








ecombustiblde
airede
kg
kg
 
 Siendo Wa la masa real de aire seco necesario para la combustión de 1 kg de 
combustible. 
 
Conocida la masa real de aire seco requerida, el volumen de dicho aire dependerá 
 
7 
de las condiciones de presión y temperatura a la cual se lo suministre al equipo de 
combustión. 
 
Para condiciones normales de P y T el volumen de aire será: 
 
 oao vWVa . 
 
Donde Vao es el volumen de aire seco en condiciones normales necesario para la 
combustión de 1 Kg de combustible seco y vo es el volumen específico del aire seco en 
esas condiciones. 
 
Sabemos que el valor de vo a 1 atm y 273 K o sea es: 
 
g
L
atmKmol
mol
g
KatmL
PMolecularPeso
TR
masa
VolumenV
o
o 77193,0
129
273.082,0
 











aire
aire
aire
aireo
o m
kg
kg
mV 33
2954,1
77193,0
11 
 O sea que: 






comb
aire
aao kg
mWnWVa
3
min772,0.77193,0 
 
Para cualquier otra condición de presión y temperatura, se puede obtener el valor de Va 
aplicando la ecuación de estado de los gases ideales. 
 
 
o
oo
T
PVa
T
PVa ..
 Se llega a: 
 






comb
aireoo
o
oo
kg
m
P
TVa
P
TVa
TP
TPVaVa
3.00366,0
273.
.1.
.
..
 
 Siendo 00366,0273
1
 
P
TWn
P
TWn
P
TVaVa a
ao
min
min .00283,0
...773,0
0036,0.00366,0  
 
 Donde 00283,0002827,0772,000366,0  
 
Por ser en 1 reemplazando, se obtiene: 
 
 excesoaaaaa VVVeVVnV  minminminmin 
 
8 
 Los cálculos anteriores se refieren siempre a aire seco, esto en la práctica no se 
cumple, dado que la corriente de aire que se toma de la atmósfera contiene una cierta 
cantidad de vapor de agua en su composición. Este vapor de agua que depende de P y T, 
provoca entonces un aumento en el volumen total del aire requerido y también en el 
volumen de los gases residuales de la combustión, generalmente este aumento varía entre 
el 1 y el 3 % según sea el contenido de humedad del aire de alimentación. 
 
 La cantidad de aire total puede obtenerse de manera simplificada como: 
 
 min.aaah WnfWfW  o bien aah VfV  
Donde f es el factor de corrección por la humedad del aire y es mayor que la unidad. Para 
aire seco f es igual a 1. Por otro lado, f puede ser calculado como una función de la 
humedad relativa y de las presiones parciales del vapor y del aire seco según: 
 
oaire
vapor
P
P
Hrf
sec
1 o bien 
oaire
vapor
P
P
Hrf
sec
1 
Con: Hr = Humedad relativa como fracción unitaria. 
 Pvapor = Presión parcial del vapor de agua en el aire húmedo. 
 Paire seco = Presión parcial del aire seco en el aire húmedo. 
   32
sec.
10..044,0.19,08,9  aireaire
oaire
vapor tt
P
P
 
Siendo t = la temperatura ambiente (temperaturade bulbo seco) en ºC (Celsius). 
El peso del aire incluyendo la humedad del aire ambiente será: 
 
 


  SOHCnfWah 31,4)8
(5,345,11 








ecombustiblde
airede
kg
kg
 
Reemplazando este valor en la expresión del volumen tendremos: 
 min0,00283 a
TVah f n W
P
     





Comb
aire
kg
m3
 
Con lo que finalmente el volumen total de aire expresado en 





Comb
aire
kg
m 3
 será: 
0,00283 11,5 34.5 4.31
8
O TVah f n C H S
P
             
 
Ejemplo 
Sea un combustible sólido (o líquido): 
 
COMPOSICION PROPIEDADES 
C: ......... 80 % 
H: ......... 10 % 
S: ......... 3 % 
e = 60 % 
n = 1+e = 1+0,6 = 1,6 
t = 25 ºC T = 298 ºK 
 
9 
O2: ........ 0 % 
N2: ……. 0 % 
Otros: …. 7 % 
P = 1 atm abs 
Hr = 50 % 
f = 1,0162 
 
 
  2,98,05,11  45,38
01,05,34 










    129,003,031,4  
 
1
298129,0̀45,32,96,100283,00162,1 ahV 





Comb
aire
kg
m 3
 
  517,17
1
298779,120046,0 ahV 





Comb
aire
kg
m3
 
 
DETERMINACION DE LA CANTIDAD DE GASES DE COMBUSTIÓN 
 
 Cuando no se conoce la composición del combustible, tanto el flujo másico como el 
flujo volumétrico de los gases residuales de combustión, pueden ser determinados en 
forma aproximada utilizando distintos tipos de gráficos que generalmente dan la 
producción de estos gases en función del tipo de combustible y del exceso de aire 
empleado en la combustión. 
 
Cuando la composición elemental del combustible es conocida, la determinación 
de la composición teórica de los gases de combustión es más exacta. 
 
 El procedimiento es similar al realizado para el oxígeno y considerando en forma 
individual cada reacción se tiene: 
 
 C + O2 CO2 
 1 mol 1 mol 1 mol 
 12 Kg 32 Kg 44 Kg ó 22,4 Nm3 
 
Donde el peso de CO2 producido por la combustión de 1 kg de Carbono está dado por: 
 
 
CarbónCarbón
Carbón Kg
KgCO
Kg
KgCOCOW 222 67,312
44
 
 
El peso de CO2 producido por la combustión del carbono en 1 kg de combustible será 
entonces 
 
CombComb
Carbón
Carbón
CarbónComb Kg
KgCOC
Kg
Kg
Kg
KgCOCCCOCO WW 2222 .67,3.67,3. 











 
 
Para la determinación del volumen de CO2 se procede de forma análoga y dado que los 
cálculos se realizan a 273 ºK y 1 atm de presión los volúmenes se expresan en Nm3 (por 
estar medidos en condiciones normales): 
 
 
10 
Carbón
CO
Carbón
CO
Carbón Kg
Nm
Kg
NmCOV 2
3
2
3
2 867,112
4,22

 
El Volumen de CO2 producido por la combustión de C kg de carbón en 1 kg de 
combustible será entonces 
 
Comb
CO
Comb
Carbón
Carbón
CO
CarbónComb Kg
NmC
Kg
Kg
Kg
NmCCCOCO VV 2
3
2
3
22 .867,1..867,1. 











 
 
 De manera análoga podemos considerar la formación de vapor de agua: 
 
 H2 + 1/2 O2 H2O 
 1 mol 1/2 mol 1 mol 
 2 Kg 16 Kg 18 Kg ó 22,4 Nm3 
 
Donde los Kg de H2O producido por la combustión de 1 kg de Hidrógeno está dado por: 
 
 
HidrógenoHidrógeno
Hidrógeno Kg
OKgH
Kg
OKgHOHW 222 92
18
 
 
El peso de H2O producida por la combustión del Hidrógeno en 1 kg de combustible será 
entonces 
 
CombComb
Hidrógeno
Hidrógeno
HidrógenoComb Kg
OKgHH
Kg
Kg
Kg
OKgHHHOHOH WW 2222 .9.9. 













 
 
 Para la determinación del volumen de H2O expresada en m3 se procede de forma 
análoga: 
 
 
HidrógenoHidrógeno
Hidrógeno Kg
OHNm
Kg
OHNmOHV 2
3
2
3
2 2,112
4,22
 
 
El volumen de H2O en m3 producida por la combustión del Hidrógeno en 1 kg de 
combustible será entonces 
CombComb
Hidrógeno
Hidrógeno
HidrógenoComb Kg
OHNmH
Kg
Kg
Kg
OHNmHHOHOH VV 2
3
2
3
22 .2,11.2,11. 













 
 Similarmente para la producción de anhídrido sulfuroso: 
 
 S + O2 SO2 
 1 mol 1 mol 1 mol 
 32 Kg 32 Kg 64 Kg 21,9 Nm3 (*) 
 
Donde los Kg de SO2 producido por la combustión de 1 kg de Azufre está dado por: 
 
 
11 
 
AzufreAzufre
Azufre Kg
KgSO
Kg
KgSOWSO 222 232
64
 
 
El peso de SO2 producido por la combustión del Azufre en 1 kg de combustible será 
entonces 
 
CombComb
Azufre
Azufre
AzufreComb Kg
KgSOS
Kg
Kg
Kg
KgSOSSSOSO WW 2222 .2..2. 













 
 
Para la determinación del volumen de SO2 expresado en m3 se procede de forma 
análoga, pero tendiendo en cuenta que (*) la densidad del SO2 es distinta de la ideal y 
tiene un valor real de 2,926 Kg/m3, razón por la que se corrige el volumen normal ideal de 
un mol de este gas. 
 
3
2
2
2
3
1 64 21,9 21,9
2,926
molar
KgSO Nm litros
KgSO Kmol Kmol mol
Nm
VSO      
 
AzufreAzufre
Azufre Kg
SONm
Kg
SONmVSO 2
3
2
3
2 684,032
9,21
 
El volumen de SO2 en m3 producido por la combustión del Azufre en 1 kg de combustible 
será entonces 
CombComb
Azufre
Azufre
AzufreComb Kg
SONmS
Kg
Kg
Kg
SONmSSVSOVSO 2
33
22 .684,0
2.684,0. 













 
 
Para analizar el nitrógeno que forma parte del combustible, consideramos que no se oxida 
 y permanece como tal liberándose en forma de gas puro: 
 
 2 N ---> N2 
 2 at-gr 1 mol 
 28 Kg 28 Kg 22,4 Nm3 
 
 
2
2
2
2
22 128
28
NN
N Kg
KgN
Kg
KgNNW  
 
El peso de N2 aportado por el combustible para la combustión estequiométrica de 1 kg de 
combustible será entonces 
CombComb
N
N
NComb Kg
KgNN
Kg
Kg
Kg
KgNNNNN WW 22
2
2
222 .. 











 
El volumen de N2 viene dado de la siguiente manera: 
 
 
12 
 
2
2
3
2
2
3
22 8,028
4,22
NN
N Kg
NNm
Kg
NNmNV  
 
 
CombComb
N
N
NComb Kg
NNmN
Kg
Kg
Kg
NNmNNNN VV 2
3
2
2
2
3
222 .8,0.8,0. 











 
 
Se supone además que todo el oxígeno que forma parte del combustible reaccionó y pasa 
a formar agua o CO2. Para completar el análisis solo falta considerar el volumen de N2 
inerte aportado por el aire de combustión. 
 
Considerando que la composición volumétrica media del aire de 21 % de O2 y 79 % de N2, 
por cada 0,21 moles de O2 participan 0,79 moles de N2, o sea que por cada 1 mol de O2 
está asociado con él 0,79/0,21 moles de N2. Si 0,79/0,21 = 3,76 entonces en el aire hay 
1mol de O2 y 3,76 moles de N2. 
 
Ejemplo: 2222 76,3)76,3( NCONOCAireC  
 
Si el aire seco solo contiene N2 y O2 con una composición en peso de 76,8 % N2 y 23,2 % 
O2, el nitrógeno aportado por el aire expresado en Kg viene dado por: 
 
 min2 768,0 aWWN  
 
Y el nitrógeno aportado por el aire expresado en Nm3 viene dado por: 
 
 min2 79,0 aVVN  
 
Por lo que la masa de gases de combustión mínima considerando un Kg de combustible 
seco podrá ser calculada con la siguiente expresión: 
mínamíng WNSHCW .., 768,02967,3  





Comb
Gas
kg
kg
 
Y el volumen de gases de combustión mínimo considerando un Kg de combustible seco 
podrá ser calculado con la siguiente expresión: 
mínamíng VNSHCV .., 79,080,068,02,1186,1  





Comb
Gas
kg
Nm 3
 
Si además el combustible empleado contiene algo de humedad, el agua contenida se 
sumará al agua producida quedando en este caso para el agua libre del combustible:ingresadoOH
gasesen
ingresadoOH
gasesen
OH Kg
OKgH
Kg
OKgH
OHW



 
2
2
2
2
22 118
18
 
 
Si ingresan con el combustible H2O kg de agua la expresión quedara como sigue: 
 
 
13 
 
Comb
gasesen
Comb
ingresadoOH
ingresadoOH
gasesen
OHComb Kg
OKgH
OH
Kg
Kg
Kg
OKgH
OHOHOHOH WW 

 













 22
2
2
2
22222 .. 
El volumen de H2O viene dado de la siguiente manera: 
 
 
OHOH Kg
OHNm
Kg
OHNmOHV
2
2
3
2
2
3
2 24,118
4,22  
 
Comb
Comb Kg
OHNmOHOOxHHOH VV 2
3
2222 .24,1 
 
mínagmín WNOHSHCW .2 768,02967,3  
 
 mínagh WNOHSHCW .2 768,02967,3 
        mínamínamína WfWnfWn ... 1111  





Comb
Gas
kg
kg
 
Agrupando y operando se tiene 
  min.2 232,02967,3 agh WnfNOHSHCW  





Comb
Gas
kg
kg
 
Para la determinación del volumen de los gases mínimos vimos que podemos utilizar: 
mínagmín VNOHSHCV .2 79,080,024,168,02,1186,1  





Comb
Gas
kg
Nm 3
 
Y si consideramos que el aire utilizado para la combustión siempre contiene algo de 
humedad, vemos que podemos escribir:: 
 
 mínaahmín fVV . mínaaahmín VfVV .min )1(  
 Donde el término mínaVf .)1(  sería el volumen de agua proveniente de la 
humedad del aire que acompañaba al aire seco. 
Entonces el volumen mínimo de gases húmedos se vería incrementado como sigue: 
 
mínaghmín VfNOHSHCV .2 )179,0(80,024,168,02,1186,1  
 O bien. 
mínaghmín VfNOHSHCV .2 )21,0(80,024,168,02,1186,1  
 Cuando la cantidad de aire utilizada no es la mínima o estequiométrica, sino que se 
emplea con un dado exceso del mismo y según lo ya visto utilizando el coeficiente de 
exceso de aire n: 
 
14 
 mínaaireexceso VnV .)1(  
 
Esta cantidad de aire se sumará a los gases mínimos de combustión para dar el volumen 
total de gases de combustión: 
 min .
( 1)g g a mínV V n V   
Y sí además el aire para la combustión está húmedo, el exceso empleado también lo 
estará: 
 
 min .( 1)gh gh a mínV V n fV   Con lo que el volumen de gases quedará: 
 
min.2 )1()21,0(80,024,168,02,1186,1 amínagh fVnVfNOHSHCV  ** 
 La cantidad de exceso de aire húmedo mínafVn .)1(  puede ser desglosada en los tres 
componentes que aporta, Oxígeno, Nitrógeno y Vapor de agua de forma que puede ser 
trabajada matemáticamente para llegar a: 
 
        minmin. )1(1)1(1)1( aamína VnfVnffVn  
   min. )1(21,079,0)1()1( amína VnffVn  
 
y finalmente distribuyendo queda: 
 
minminmin. )1(21,0)1(79,0)1)(1()1( aaamína VnVnVnffVn  
 
Exceso de aire húmedo = humedad del exceso + N2 del exceso + O2 del exceso 
Sumando estos términos y reemplazando el minVgh ya deducido en función de sus 
componentes, resulta el volumen total de gases de combustión en función de los gases 
que lo componen como: 
 
21,86 11,2 0,68 0,8 1,24Vgh C H S N H O           
        min min min min0,21 1 1 0,79 1 0,21 1f Va f n Va n Va n Va        
Reagrupando los términos se tiene: 
 
   min min1,86 0,68 0,21 1 0,8 0,79Vgh C S n Va N n Va           
 2 min11, 2 1, 24 1H H O n f Va        
3
.
Nm Gas
Kg Comb 
 
Este volúmen se puede expresar en forma general como la sumatoria de los volumenes de 
los gases componentes como sigue: 
 
2 2 2 2 2CO N O SO H OVgh V V V V V     
 
15 
 
Donde cada componente viene dado de la siguiente manera: 
2 1,86COV C  
3
2
.
Nm CO
Kg Comb 
2 0,68SOV S  
3
2
.
Nm SO
Kg Comb 
 2 min0,21 1OV n Va  
3
2
.
Nm O
Kg Comb 
2 min0,8 0,79NV N n Va     
3
2
.
Nm N
Kg Comb 
 2 2 min11,2 1,24 1H OV H H O n f Va      
3
2
.
Nm H O
Kg Comb 
También se puede utilizar la siguiente expresión general que deriva de la ecuación **: 
 
mínagh VnfNOHSHCV .2 )21,0(80,024,168,02,1186,1  
 
EXCESO DE AIRE 
 
 Ahora nos interesa realizar un análisis más cualitativo del exceso de aire y sacar 
algunas conclusiones de importancia. Para ello consideremos que en todo proceso 
industrial de combustión, existen tres variables que gobiernan este fenómeno y son 
conocidas como las tres (3) “T” de la combustión: 
 
 El Tiempo, la Temperatura y la Turbulencia. 
 
 El tiempo es la variable que permite garantizar que se alcance un avance de reacción 
total, es decir que la reacción se complete o se agoten los reactivos. Si bien las 
reacciones de combustión alcanzan un determinado punto de equilibrio, en el caso de 
las instalaciones industriales los gases producidos son evacuados rápidamente del 
recinto de combustión, provocando entonces el desplazamiento del equilibrio hacia el 
lado de los productos, hasta que la reacción ocurra en forma completa. 
 
 La temperatura es la variable que permite asegurar la oxidación total de los elementos 
que componen el combustible, cada reacción térmica tiene un mínimo o umbral de 
temperatura que asegura la suficiente velocidad para alcanzar en el tiempo establecido 
la combustión completa de los componentes del combustible. 
 
 La turbulencia de la mezcla de aire y combustible que se quiere quemar, es la variable 
que asegura un íntimo contacto entre estos componentes, de forma de lograr la 
combustión completa del combustible. 
 
 Evidentemente estos tres factores no son independientes entre sí, sino que se 
hallan fuertemente vinculados, incidiendo cada uno de ellos sobre los otros, y la resolución 
de los problemas prácticos que se presentan en la industria se obtiene considerando estas 
interrelaciones para cada tipo de combustible y equipo de combustión (quemador). 
 
16 
 
 Para lograr la combustión completa es necesario agregar un cierto exceso de aire. 
Esto aumenta la turbulencia de la mezcla y disminuye la temperatura de la llama. 
Fundamentalmente aumenta la masa o el volumen de los gases residuales de combustión. 
Estos gases salen de la cámara de combustión a alta temperatura y son llevados al medio 
exterior para ser desechados a través de un conducto especialmente diseñado 
denominado chimenea. 
 
 Por lo tanto el calor contenido en los gases de combustión que se desechan, 
constituye la pérdida de energía más importante en un proceso de combustión, se la 
conoce como pérdida por calor sensible y debe minimizarse. 
 
 Lo primero que se pensaría es eliminar o disminuir es el exceso de aire. Esta 
acción podría provocar que no todo el combustible reaccionara, apareciendo combustible 
sin quemar en los gases de combustión, tales como C, CO, H2, etc. 
 
 Estas sustancias además de presentar algunos problemas en las instalaciones 
posteriores, provocan el perjuicio energético de no haber liberado toda su energía en la 
reacción de combustión. Esto es muy perjudicial desde el punto de vista de los costos de 
operación y de la eficiencia global de la instalación. 
 
 Vemos entonces que coexisten dos efectos de direcciones opuestas y por lo tanto 
deberá llegarse a un compromiso entre las mismas. Debe haber un valor de exceso de aire 
para el cual las pérdidas energéticas alcanzarán un mínimo y ese valor será el exceso 
óptimo para esa instalación y para ese combustible. 
 
 El calor de los humos o calor sensible de los gases de escape, puede ser calculado 
una vez determinada la masa de los gases de combustión, su capacidad calorífica y la 
temperatura de los mismos, de acuerdo a la siguiente expresión: 
 
OsHsSOsOsNsCOogsensible QQQQQttxCpxWghQ 2222)(  
 
Donde tg es la temperatura de salida de los gases de combustión y to es la temperatura de 
referencia y generalmente se considera 25ºC.  min.2 232,02967,3 agh WnfNOHSHCW  
Como la masa de gases que salen por la chimenea se incrementa con el exceso 
de aire, vemos que la pérdida por calor sensible es proporcional a este exceso de aire, 
mientras que la energía perdida por la combustión incompleta, disminuye rápidamente al 
aumentar n (factor de exceso). 
 
Este óptimo varía con el tipo de equipo o quemador empleado y fundamentalmente 
con el tipo de combustible usado. En la Tabla 1 se muestra el rango de exceso de aire 
para cada tipo de combustible en forma general: 
 
 
Tipo de Combustible Exceso de aire optimo 
Gaseosos 0 - 10 % 
Líquidos 10 - 30 % 
Sólidos 30 - 60 % 
Tabla 1 Rango de exceso de aire para combustibles S. L. o G. 
 
17 
 
 De igual manera en la Tabla 2 se muestra el rango de exceso de aire para 
distintos tipos de quemadores en forma general: 
 
 
Tipo de Quemadores Exceso de aire óptimo 
Parrilla Fija 60 - 100 % 
Mecánica 30 - 60 % 
 Carbón pulverizado 20 - 40 % 
Líquidos 20 - 40 % 
Gas 5 - 20 % 
Tabla 2 Rango de exceso de aire para distintos tipos de quemadores 
 
DETERMINACION DE LA CANTIDAD DE AIRE TEÓRICO PARA LA 
COMBUSTIÓN DE COMBUSTIBLES GASEOSOS 
 
La fracción molar de los gases de una mezcla gaseosa se expresa como: 
 
t
i
i n
nx  
Si a esta expresión la multiplicamos y dividimos por 22,4 m3 en el numerador y 
denominador tenemos: 
 
t
i
t
i
t
i
i V
V
n
mol
Nm
n
mol
Nm
n
nx 
.4,22
.4,22
3
3
 
Como se ve, la fracción molar es igual a la fracción volumétrica. 
 
Los gases combustibles son el CO, el 2H , el 2SH y los hidrocarburos gaseosos 
derivados del petróleo, que en forma general se expresan con la fórmula x yC H 
Las reacciones de combustión serán: 
 OHOH 222 2
1
 222
1 COOCO  
 OH
yCOxOyxHC yx 222 2
)
4
(  
Si x = 1 e y = 4 tenemos: OHCOOHC 22241 2
41)
4
41(  
 OHCOOCH 2224 22  
Si x = 2 e y = 6 tenemos: OHCOOHC 22262 2
62)
4
62(  
 OHCOOHC 22262 325,3  
 Si el gas tiene algo de 2SH la reacción es la siguiente: 
 
18 
 OHSOOSH 2222 2
3
 
Al igual que para combustibles sólidos y líquidos, el nitrógeno y el 2CO en este caso 
actúan como inertes, el oxígeno libre que trae el combustible  2 . .Vo l c debe ser deducido 
del oxígeno aportado por el aire en cantidad equivalente. 
La cantidad de oxígeno teórico o mínimo requerido expresado en 
3
2
3
Nm O
Nm deGas es: 
 5min 2 2 210,5 0,5 1.5 ( )( ) . .4x yx
yVo CO H SH C H x Vo l c

         
Donde CO, 2H , 2SH representan la composición volumétrica de estos gases en el 
combustible, expresados en tanto por uno, la sumatoria 
5
1
( )( )
4x yx
yC H x

 Tiene dos 
partes: la primera yx HC representa la composición volumétrica en tanto por 1 del gas 
yxHC que puede ser 1 4C H , 2 6C H , 3 8C H , 4 10C H y 5 12C H y 
)
4
( yx  representa el volumen de O2 para la combustión estequiométrica del gas 
yx HC . Haciendo cálculos estequiométricos similares a los anteriores, en función de los 
volúmenes, y considerando que la composición media del aire en volumen es: 221%O y 
279%N , el volumen de aire mínimo para la combustión de 1 m3 de gas será: 
  
3
min min 3
1 4,76.
0,21
aire
aire teórico
comb
NmV Vo Vo
Nm
 
   
 
 
 
Volumen de aire total necesario a 0ºC: 
 
( ) ( ) ( ) ( ) ( )aire total aire teórico aire en exceso aire teórico aire teóricoV V V V e V          
 ( ) ( ) ( )1aire total aire teórico aire teóricoV e V n V      
( ) ( ). .aire total húmedo aire teóricoVah V f nV    
5
2 2 21
4,76. . . 0,5 0,5 1.5 ( )( ) ( . .)
4x yi
yVah n f CO H SH C H x Vo l c

           
 
Expresado en: 





comb
aire
Nm
Nm
3
3
 
 
DETERMINACION DEL VOLUMEN DE LOS GASES PRODUCTO DE LA 
COMBUSTIÓN DE COMBUSTIBLES GASEOSOS A To = 0ºC 
 
19 
 
El volumen de gases de combustión viene dado por la contribución de los volúmenes de 
los siguientes elementos: 
)( 2coV 
)(
2OH
V 
)(
2N
V 
)(
2SO
V 
)(
2 enexcesoO
V
 
Volumen de CO2 producido 
 
5
2 21
. .( ) ( )( ) ( )x yi l cV co CO C H x CO   
Volumen de vapor de agua 
 
   
5
2 212 2( ) ( )( ) ( 1) ( 1)( 1) )( . .)2x y aire teorico aire teoricoi
H O O
yV H C H SH f V f n V H lc         
 
f se calcula de igual manera que para combustibles sólidos o líquidos. 
 
Volumen de N2 
   2 . .2( ) 0,79 ( ) 0,79( 1)aire teorico aire teoricoN l cV V N n V      
Volumen de O2 del exceso 
 
 2 0,21( 1)exceso aire teoricoVO n V   
Volumen de SO2 de la combustión del sulfhídrico 
 
 
 
 
 
El volumen del nitrógeno del exceso y el volumen de oxigeno del exceso, pueden 
agruparse y se toman en cuenta como el volumen del aire en exceso. 
 
   0,79( 1) 0, 21( 1)exceso aire teorico aire teoricoVAire n V n V     
 
 El volumen total de los gases producto de la combustión viene dado por la siguiente 
expresión: 
        4,22
9,21.. 222
5
1
SHHclCOxHCCOVgh
i yx 
4,22
9,21)()( 22 SHVV SO 
 
20 
            ..1112 22
5
1
clOHVnfVfSHyHC teoricoaireteoricoairei yx 



  
           teoricoaireteoricoaireteoricoaire VnVnclNV 121,0179,0..79,0 2  
 
Agrupando queda: 
 
    ..977,1 22222 clNOHCOSHHCOVgh 
         minminmin5 1
5
1
102179,01
2 aaai yxi yx
VnVnVfnyHCxHC 




   
        min5 122222 21,02..977,1 ai yx Vnf
yxHCclNOHCOSHHCOVgh 




  
En 





comb
escapedegas
Nm
Nm
3
3
 
 
DETERMINACIÓN DEL VOLUMEN DE LOS GASES QUEMADOS QUE 
SALEN POR LA CHIMENEA A LA TEMPERATURA Tg ≠ To 
 
La determinación del caudal de gases producidos en la combustión se realizó a la 
temperatura de 0ºC. Los gases que circulan por la chimenea se transportan a 
temperaturas mayores a la mencionada, por lo que se debe corregir el caudal real de los 
gases con la temperatura. 
 
 A modo de repaso diremos que Gay Lussac y Charles ambos (por separado) 
obtuvieron que a presión constante el volumen de una masa determinada de cualquier gas 
aumenta en la misma cantidad relativa o fracción por cada grado de aumento de 
temperatura, lo que matemáticamente puede expresarse como: 
 
 V(t) = V(0°C) +   V(0°C)  t 
 V(t) = V0 (1 +   t) 
 
Donde  es el llamado COEFICIENTE DE DILATACIÓN VOLUMETRICO o CUBICO y es 
el mismo para todos los gases. 
 
O sea que el volumen a la temperatura t se obtiene usando un factor de corrección k 
 
Al que se denomina coeficiente de dilatación térmica (k = 1+  t). 
Donde: t: es la temperatura de salida de los gases por la chimenea. 
 
10003663
273
1 

 C
C
 tk 003663,01 
El volumen de los gases producto de la combustión está compuesto por: CO2, SO2, H2O, 
N2 y O2; que se puede expresar como: 
 
 
21 
)(2 222 humedoairedeexcesoOHNSOCO
VVVVVVgh  
 
Si el gas natural está exento de compuestos con Azufre (S) tenemos: 
 
)(2 22 humedoairedeexcesoOHNCO
VVVVVgh  
 
Los volúmenes de los gases calculados a la temperatura de 0 °C se deben corregir 
multiplicando por el coeficiente k: 
 
 ktVtV oCOCCO .0)( 22
º  
 ktVtV oOHCOH .0)( 22
º  
 ktVtV oSOCSO .0)( 22
º  
 ktVtV oNCN .0)( 22
º  
 ktVtV oexcesoenaireCexcesoenaire .0)( 2
º   
 
El exceso de aire se puede calcular con la siguiente expresión:2 max
2
%(CO )n 1 e
%(CO )medido
   
El porcentaje volumétrico del dióxido de carbono máximo 2 max%( )CO se calcula tomando 
en cuenta que la combustión es estequiometrica. Y con un equipo analizador de gases de 
escape, se determina él 2%( )medidoCO . 
 
OTROS ASPECTOS DE LA COMBUSTIÓN 
 
 Antes de estudiar los distintos diagramas utilizables en combustión, que permiten 
determinar los parámetros más importantes y la forma en que una combustión está siendo 
llevada a cabo, veremos otros aspectos que son de interés en el proceso de combustión, 
ellos son: 
 
 a) Características de la llama. 
 b) Determinación de Componentes en Gases de Combustión. 
 c) Equipos utilizados en la Combustión. 
 d) Eficiencia de la combustión. 
 
a) Características de la llama. 
 
Llama es lo que se produce a partir de la combustión de un elemento combustible y 
el aire ambiente que lo rodea. La llama es fuego y puede variar su color, intensidad o 
incluso su forma dependiendo de cada caso. La llama es la zona donde existe alta 
temperatura y cuando presenta partículas de carbono incandescentes, se vuelve luminosa. 
A medida que el combustible gasificado va entrando en contacto con el aire, se va 
quemando y luego es desalojado o desplazado por la mezcla que viene por detrás, la 
ENZO CORTE
Resaltar
ENZO CORTE
Resaltar
ENZO CORTE
Resaltar
 
22 
superficie que separa el gas ya quemado o gases de combustión con el gas que está en 
proceso de combustión (en el interior de la llama), se la conoce como frente de llama; y 
en esta zona ocurren las principales reacciones. El espesor de este frente de llama es 
variable y puede ir desde unos pocos milímetros hasta ocupar todo el ancho de la cámara 
de combustión. 
 
 A su vez, cuando se inicia la combustión, este frente de llama tiende a desplazarse 
a través de la masa gaseosa (propagación de la llama), la velocidad a la cual ocurre este 
fenomeno depende de la transmisión de calor entre los gases ya quemados y la mezcla de 
combustible y aire sin quemar, cuando estos alcanzan la temperatura de ignición arden 
propagando la combustión. 
 
 Este avance del frente de llama se estabiliza en una dada posición que depende de 
la velocidad de los gases, la temperatura de los mismos y la distribución o turbulencia de 
la mezcla en la cámara, manteniendo el frente de llama en una posición fija y dando una 
velocidad de propagación de la llama de operación. Esta debe ser la velocidad a la cual 
se suministra la mezcla gaseosa en los quemadores, caso contrario si es menor la 
llama se introducirá dentro del quemador (retroceso de llama) y si es mayor la llama 
se "soplará", provocando el apagado de la combustión. 
 
 Para iniciar la combustión o propagar la llama, es necesario que la mezcla se halle 
a un temperatura intermedia entre dos extremos que definen el intervalo de inflamabilidad, 
este intervalo es variable y depende de diversas variables externas, entre las cuales las 
más importantes son la presión de operación y la geometría de la cámara. 
 
 También existe un intervalo de concentraciones de mezcla que permite la 
combustión, en el extremo superior es la mezcla estequiométrica, la cual es siempre capaz 
de auto mantener la llama, mientras que al ir diluyendo la mezcla con un inerte, la 
temperatura de la llama va descendiendo hasta que no es suficiente para propagar la 
llama. 
 
 Las llamas pueden ser clasificadas según distintos criterios o puntos de vista: 
 
a) si consideramos el lugar donde se realiza la mezcla combustible-comburente 
tendremos: 
 llamas de premezcla (antes de ingresar al quemador). 
 llamas de difusión (en el punto de la combustión). 
 
b) Si consideramos la velocidad de la mezcla pueden ser: 
 laminares (largas e inaudibles) 
 turbulentas (cortas y con silbido). 
 
c) Si tenemos en cuenta la posición respecto a la boca del quemador tendremos: 
 llamas explosivas (presentan movimientos del frente de llama) 
 estacionarias (llamas de frente fijo, son las más importantes en aplicaciones 
industriales). 
 La temperatura de la llama es un parámetro fundamental como puede apreciarse de 
todo lo dicho, y depende entonces principalmente de las condiciones experimentales 
utilizadas, del tipo de combustible y la velocidad de la combustión. 
 En general, las llamas más calientes no son aquellas donde la liberación de energía 
es más rápida, sino aquellas donde los productos finales de la combustión son más 
ENZO CORTE
Resaltar
ENZO CORTE
Resaltar
ENZO CORTE
Resaltar
ENZO CORTE
Resaltar
 
23 
estables termodinámicamente. 
 
 Finalmente diremos que el parámetro empleado con frecuencia para comparar 
distintos combustibles y equipos de combustión (quemadores) es la temperatura teórica 
de llama: temperatura que tendría la llama cuando la reacción de combustión ocurre en 
forma estequiométrica, con mezcla perfectamente homogénea y que ocurre en un tiempo 
muy corto, de forma que no dé tiempo a transferencia de calor entre la llama y el ambiente 
(combustión perfecta adiabática). 
 
b) Determinación de los Componentes de los Gases de Combustión. 
 
 Los gases de combustión presentan una composición variable y para conocerla 
podemos recurrir como ya se vio, al cálculo teórico, el cual es siempre aproximado. La 
determinación experimental es más adecuada y se realiza indefectiblemente por muestreo 
y análisis químico de las muestras. 
 
 Pero dado que el problema de la combustión es tan difundido, importante y variable 
en la industria, se han diseñado equipos que permiten realizar estas determinaciones 
químicas rápidamente con una precisión adecuada, o reemplazarlas por determinaciones 
físicas. El primero de ellos y más difundido, y utilizado aún hoy en día en muchos casos es 
el aparato de Orsat, de sencillo manejo, el cual determina simultáneamente el contenido 
de CO2, O2 y CO en base seca. 
 
 Equipos más modernos y específicos permiten determinar directamente el 
porcentaje de diversos elementos tales como O2, CO, CO2, SH2, SO2, SO3, H2O, NO e 
inquemados sólidos, los cuales pueden ser más o menos sofisticados, basándose en 
mediciones de conductividad térmica, paramagnetismo, FEM, espectrofotometría de 
infrarrojo, absorción o difusión de luz, entre otras. 
 
 Existen diversos gráficos que permiten obtener para un determinado tipo de 
combustible, la relación aproximada entre los % de CO2, O2 y exceso de aire, y en base a 
estos valores controlar la operación de la combustión. 
 
c) Equipos utilizados en la Combustión. 
 
 Este punto será discutido en detalle posteriormente, una vez que se hayan 
estudiado los diversos diagramas de combustión. 
 
d) Eficiencia de la combustión. 
 
 La eficiencia o calidad de una combustión puede ser determinada conforme a tres 
factores fundamentales: 
 El rendimiento térmico o energético. 
 La emisión de contaminantes. 
 El ataque de los gases de combustión sobre los elementos de la instalación. 
 
 Para conseguir altos rendimientos debe obtenerse una combustión completa, con el 
menor exceso posible de aire (n = 1,05 a 1,20) y una temperatura de salida de los gases 
baja. Por otra parte, el ataque de los gases sobre las partes metálicas aumenta cuando 
disminuye la temperatura, es lógico esperar una temperatura de salida de gases superior a 
la de rocío correspondiente. 
ENZO CORTE
Resaltar
ENZO CORTE
Resaltar
ENZO CORTE
Resaltar
 
24 
 
 A esto debemos agregarle que si el exceso de aire es demasiado alto, los gases de 
salida tendrán excesivo carácter oxidante, lo que conjugado con temperaturas elevadas 
 (> 400 ºC), puede provocar ataques de oxidación. 
 
 El efecto de los contaminantes también depende de la operación de la combustión, 
así para relaciones de aire-combustible en defecto se generan inquemados tóxicos, 
principalmente CO. En el extremo opuesto, un exceso de aire elevado provocará también 
la aparición de inquemados debido a la formación de zonas frías en el recorrido de los 
gases. Finalmente podemosdecir que una combustión de elevado rendimiento reduce la 
emisión de contaminantes porque reduce la cantidad o masa de combustible quemado 
para una dada necesidad energética. 
 
 Vemos de todo lo expuesto, que la variable principal de control para lograr una 
combustión de calidad o eficiencia, resulta ser el manejo de la relación aire-combustible o 
coeficiente de exceso de la combustión. Efectivamente en la práctica la mayoría de los 
sistemas de control operan sobre esta variable, accionando automáticamente según las 
determinaciones físicas o químicas realizadas. 
 
 La cuantificación del concepto de eficiencia es difícil de realizar, dados los 
parámetros cualitativos o de operación ya mencionados que intervienen en el mismo, no 
obstante como meta general puede establecerse que el objetivo a alcanzar es la 
combustión completa con el mínimo exceso de aire posible, y con un aprovechamiento 
máximo del calor. 
 
 Esto último si puede ser cuantificado ya que la pérdida más importante como vimos, 
es la energía de los gases de combustión, así que si esta es disminuida al máximo, la 
recuperación de energía será óptima, para ello podemos plantear un balance de energía 
simplificado para un equipo de combustión tal como el siguiente: 
 aire comb ingresa egresa aprov gasesperdido RyCE E E E Q Q Q      
 Despreciando el efecto de las pérdidas por radiación y convección (R y C), las 
cuales no superan un total de 15% para equipos bien dimensionados y operados, y 
teniendo en cuenta que la energía del combustible es prácticamente aportada por su poder 
calorífico, queda: 
 gasesoaprovechadaire QQPciE  
Definiendo la recuperación de calor y la pérdida, respectivamente, expresada en % como: 
 100(%) 








ingresado
aprov
Q
Q
R 100(%) 








ingresado
gases
Q
Q
P 
Resulta de estas definiciones que: 
 100 RP 
 
Es decir que conocida una de las variables, la otra se determina automáticamente. 
Finalmente desarrollando las energías de las corrientes gaseosas en función de sus 
entalpías, y despreciando los efectos o variaciones de energía mecánica, resulta: 
 
)).((..)()( 22º2 ToTgCOCpkCOVCOQ oCt  
 
ENZO CORTE
Resaltar
ENZO CORTE
Resaltar
ENZO CORTE
Resaltar
ENZO CORTE
Resaltar
ENZO CORTE
Resaltar
 
25 
)).((..)()( 22º2 ToTgOHCpkOHVOHQ oCt  
 
)).((..)()( 22º2 ToTgSOCpkSOVSOQ oCt  
 
)).((..)()( 22º2 ToTgNCpkNVNQ oCt  
 
  )).((..)( º ToTgaireCpkVVQ oexcesoeaireCtexcesoeaire   
 
Entonces la pérdida de energía de los gases se la conoce como "sobre temperatura" en 
la chimenea respecto al ambiente, y la misma puede ser calculada para un determinado 
combustible, para una temperatura ambiente dada To, para una temperatura de suministro 
de aire Ta, para una temperatura de suministro de combustible Tcomb y para una dada 
temperatura de salida de los gases (Tg). 
 )().(.
).(.
1
ocombpcombcomboapaa
n
i ogpggi
TTCVTTCVPci
TTCV
P


   
 
Siendo To una temperatura de referencia cualquiera. Normalmente se adopta la 
temperatura ambiente Ta = To 
 
Si el combustible y el aire ingresan a la temperatura de referencia la expresión queda: 
 Pci
TTCV
P
n
i agpggi   1 ).(. 
El rendimiento de la combustión viene dado por: 
 Pci
TTCV
p
n
i agpggi   1 ).(.11 
Estos cálculos han sido realizados para diversos combustibles registrándose los 
resultados en forma de gráficos. Para el caso de combustibles sólidos celulósicos, el valor 
de humedad interviene mucho en el cálculo, por lo que traen además una escala auxiliar 
para la corrección por este efecto. 
 
TEMPERATURA TEÓRICA DE LA LLAMA 
 
Vimos que la energía del combustible es aportada por su poder calorífico. Puede ser que 
el combustible y el aire estén precalentados, siendo así podrán aportar una cantidad 
adicional de energía. 
 
Si todo el calor aportado se transfiere a los gases sin producirse pérdidas, es decir que la 
combustión es adiabática, la temperatura de los gases se obtiene de: 
 
 aire comb aprov gasesE E Pci Q Q    
 aireE Es el calor sensible que aporta el aire 
 
26 
 combE Es el calor sensible que aporta el combustible 
 Pci Es la energía propia del combustible por unidad de masa o 
volumen según sea sólido, líquido o gaseoso 
 aprovQ Calor que retienen los gases si la combustión fuese adiabática. 
Como cada componente tiene las siguientes formas: 
 
 ).(.).(. oaireaireaireoairepaireaireaire TTCpmTTCVE  
Si el combustible es gaseoso 
 
 ).(. ocombpcombcombcomb TTCVE  
Si el combustible es sólido o líquido 
 ocombpcombcombcomb TTCmE  
 
La masa de gases producida por 1 kg de combustible fue calculada anteriormente (la 
expresión es la que sigue) 
 
  min..2 232,0768,02967,3 amínagh WnfWNOHSHCW  
 Expresado en 





Comb
Gas
kg
kg
 
 
La temperatura de la llama se obtiene de: 
 
 
n
i oLlgigicombiocombcombcomboaireaireaire
TTCpWHmTTCpVTTCpV
1
).(..).(.).(. 
 
   
oLln
i gigi
combiocombcombcomboaireaireaire TT
CpW
HmTTCpmTTCpV


 

1
.
.....
 
 
   
Llon
i gigi
combiocombcombcomboaireaireaire TT
CpW
HmTTCpmTTCpV


 

1
.
.....
 
 
Si comb aire referencia oT T T T   la expresión anterior queda como sigue: 
 
 Llon
i gigi
combi TT
CpW
Hm

 

1
.
.
 Si el combustible es sólido o líquido 
 
 Llon
i gigi
combi TT
CpW
HV

 

1
.
.
 Si el combustible es gaseoso 
ENZO CORTE
Resaltar
 
27 
 
El volumen de los gases producidos por m3 de combustible fue calculada 
anteriormente (la expresión es la que sigue). Y si se conoce este volumen de los gases de 
combustión en necesario calcular la masa de los gases para poder usar las expresiones 
anteriores. 
        min5 12222 21,02..977,1 ai yx Vnf
yxHCclNOHCOSHCOVgh 




   
En 





comb
escapedegas
Nm
Nm
3
3
 
 
En la Tabla 3 se muestran los valores de Cp de distintos gases producto de la 
combustión a distintas temperaturas. 
 
Temperatur
a 
En ºC 
Cp medio de gases [kcal/kg.ºC] 
N2 CO Aire O2 H2O CO2 SO2 SO3 
25 0,249 0,249 0,24 0,219 0,446 0,202 0,149 0,151 
100 0,249 0,25 0,241 0,221 0,449 0,21 0,154 0,161 
200 0,25 0,251 0,242 0,224 0,454 0,22 0,16 0,172 
300 0,251 0,253 0,244 0,228 0,457 0,23 0,166 0,182 
400 0,253 0,255 0,247 0,232 0,467 0,238 0,171 0,19 
500 0,256 0,258 0,249 0,235 0,474 0,245 0,175 0,198 
600 0,258 0,26 0,252 0,238 0,482 0,251 0,179 0,204 
700 0,261 0,263 0,254 0,241 0,49 0,257 0,182 0,21 
800 0,263 0,266 0,257 0,243 0,498 0,262 0,185 0,215 
900 0,266 0,269 0,259 0,246 0,506 0,267 0,188 0,219 
1000 0,268 0,271 0,262 0,248 0,514 0,271 0,19 0,223 
1100 0,27 0,273 0,264 0,25 0,522 0,275 0,192 0,227 
1200 0,273 0,275 0,266 0,252 0,529 0,278 0,194 0,231 
1300 0,275 0,278 0,268 0,254 0,537 0,282 0,195 0,233 
1400 0,276 0,279 0,27 0,255 0,543 0,284 0,196 0,235 
1500 0,278 0,281 0,271 0,256 0,549 0,288 0,196 0,237 
1600 0,28 0,283 0,273 0,258 0,553 0,29 0,196 0,237 
1700 0,281 0,284 0,275 0,26 0,563 0,291 0,196 0,237 
1800 0,283 0,286 0,276 0,261 0,569 0,294 0,196 0,237 
1900 0,284 0,287 0,277 0,262 0,574 0,296 0,196 0,237 
2000 0,285 0,288 0,279 0,263 0,579 0,298 0,196 0,237 
2100 0,287 0,289 0,28 0,264 0,584 0,299 0,196 0,237 
2200 0,288 0,29 0,281 0,265 0,589 0,736 0,196 0,237 
Tabla 3 Valores de Cp de gases de combustión a distintas temperaturas. 
 
 
 
 
En la Tabla 4 se muestran los valores de temperatura máxima de la llama de tres formas 
diferentes.Substancia Fórmula química 
Temperatura máxima de llama (ºC) con aire seco 
a 25 ºC 
Teórica Calculada Experimental 
 
28 
Parafinas 
Metano CH4 2012 1918 1885 
Etano C2H6 2065 1949 1900 
Propano C3H8 2356 1967 1930 
n-butano C4H10 2084 1973 1905 
 
Olefinas 
Etileno C2H4 1576 2072 1980 
Propileno C3H6 2299 2050 1940 
Butileno C4H8 3036 2033 1935 
Tabla 4 Valores de temperatura máxima de la llama teórica, calculada y experimental. 
 
 
 
 
 
DIAGRAMAS DE COMBUSTIÓN 
 
Cuando la composición elemental del combustible no es conocida, o bien cuando 
se quiere realizar un cálculo rápido y aproximado, pueden emplearse diagramas 
específicos para cada tipo de combustible, los que permiten determinar a partir de 
propiedades físicas como el Poder calorífico, el contenido de cenizas (para sólidos) y el 
exceso de aire utilizado en la combustión; la cantidad de aire mínimo necesaria para la 
combustión estequiométrica y el volumen de los gases de combustión producido. 
 
Seguidamente se muestra en las Figura 1, 2 y 3 para la determinación de los 
volúmenes de aire y gases de combustión para combustibles sólidos, líquidos y gaseosos 
respectivamente. 
 
Para la determinación de los volúmenes indicados, se procede de la siguiente manera: 
una vez determinado el Vaire mínimo, el volumen real a utilizar es calculado según: Va = 
nVamin 
 
Cuando un combustible sólido contiene cenizas se utiliza una escala auxiliar para 
determinar los factores de corrección. Los factores de corrección Fa y Fh, deben ser 
descontados de los valores de aire y humos: 
 
 Vfinal = Va – Fa Vhumos = Vg - Fh 
 
29 
 
 
 
 Figura 1 Gráfico para combustibles sólidos. 
 
 
 
30 
 
Figura 2 Gráfico para combustibles líquidos. 
 
 
 
31 
 
 
Figura 3 Gráfico para combustibles gaseosos. 
 
 
 
32 
DIAGRAMA DE BUNTE 
 
 Este diagrama es válido para todo tipo de combustible pero solo se aplica para 
combustiones completas. Conociendo la composición de CO2 en los humos, se ingresa por 
el eje de las ordenadas hasta cortar la línea del diagrama, y de allí se baja hasta el eje de 
las abscisas, obteniendo por diferencia el % de O2 y por intersección de las líneas 
cruzadas el coeficiente de exceso utilizado en la instalación, en la Figura 4 se muestra el 
diagrama de Bunte. 
 
 
Figura 4 Diagrama de Bunte. 
 
DIAGRAMA DE KELLER 
 
Este diagrama es el más común para combustibles normales, en este se representa 
en las ordenadas la fracción de CO2 y en las abscisas la fracción de O2, en él se pueden 
determinar las líneas que representan la combustión estequiométrica, la combustión 
completa para diversos excesos y las líneas de exceso, además se ven también las líneas 
de composición del CO + H2. Entre estas líneas características se definen las "zonas de 
combustión", encontrándose la zona de defecto de aire, la zona de combustión incompleta 
y la zona de combustión completa. En la Figura 5 se muestra el diagrama de Keller. 
 
 
 
 
33 
 
Figura 5 Diagrama de Keller. 
 
DIAGRAMA DE OSTWALD 
 
Este diagrama muy empleado para combustibles muy ricos en hidrógeno y con exceso de 
aire relativamente bajos, en ellos se representan en las ordenadas la fracción de CO2 y en 
las abscisas la fracción de O2, en él se pueden determinar las líneas que representan la 
combustión estequiométrica, la combustión completa para diversos excesos y las líneas de 
exceso, además se ven también las líneas de composición del CO. 
 
Todas estas líneas pueden ser deducidas de las ecuaciones de combustión ya 
vistas para el cálculo del aire necesario y de los gases residuales de la combustión. 
 
Seguidamente obtendremos la ecuación de combustión completa para este 
diagrama. 
 
Considerando los gases productos de la combustión secos (exentos de agua) y 
definiendo las variables””,”” y”” como relaciones volumétricas como se indica: 
 
 
gV
VCO2 
gV
VO2 
gV
VCO
 
Cuando el volumen de gases sea el mínimo (volumen estequiométrico), estos valores 
serán máximos: 
 
 
34 
min
2
max
gV
VCO
 
min
2
max
gV
VO
 
min
max
gV
VCO
 
 
Considerando la relación entre el volumen mínimo de gases y el volumen de aire mínimo 
ya deducida: 
   minmin 1 VanVgVg  
 
Multiplicando miembro a miembro a por máx y reordenando resulta: 
 
min
2
minmin
2 }).1({
min gg
V
VCOVanVg
V
VCOVg  
Vg
VCO
Vg
Van 2
min
min
max }).1(1{   }).1(1{
min
min
max Vg
Van 
Despejando n: 
min
minmax ).1(1
Va
Vgn 


 (1) 
Trabajando de manera similar para  y  max se tiene: 
 
minmin
min2
)1(
)1(21,0
VanV
Van
V
VO
gg 

 
minminmin ).1.(21,0))1(( VanVanVg  
 
minminmin ).1.(21,0)1.(. VanVanVg  
 
minminmin ).1.(21,0)1.(. VanVanVg   
 
minmin ).1).(21,0(. VanVg   
 
n
Va
Vg


1
)21,0(
)(
min
min


 (2) 
 Donde 0,21 representa el valor de max cuando el exceso de aire sea infinito, por ser los 
gases de combustión prácticamente aire en esa condición. 
La ecuación (2) es más utilizada, ya que la determinación del % O2 es más segura y más 
fácil que el de CO2. 
 
 El valor del exceso es único, de forma que igualando las ecuaciones (1) y (2) en 
función de  y , puede relacionarse estas variables conforme a: 
 
n
Va
Vg


1
)21,0(
)(
min
min


 (2) 
min
minmax ).1(1
Va
Vgn 


 (1) 
 
 
35 
min
minmax
min
min )1(11
)21,0(
)(
Va
Vg
Va
Vg

 



 
 
)1(
)21,0(
)( max 
 



 





21,0
1 max 
 
)21,0(
)21,0(1 max




   )21,0()21,0( max 
 
  21,0.)21,0(0 max 21,0.)21,0(0 max   
 
)21,0(21,0 max   21,0
)21,0(max   
 
)
21,0
1(max
  21,0
1
max



 
1
21,0max




 
 
Esta es la ecuación de la combustión completa del diagrama de Ostwald simple. La 
combustión del combustible en cualquier condición siempre que la combustión sea 
completa está representada por un punto de la recta. 
Por debajo de la recta de Ostwald se puede leer el contenido de CO producido por la 
combustión incompleta. 
 
Para el caso de que hubiesen inquemados de hidrógeno, podemos definir el término "": 
 
gV
VH 2 
min
2
max
gV
VH
 
y trabajando de manera análoga podría llegarse a la ecuación completa de combustión 
usada en el diagrama de Keller para cuando también hay presencia de hidrógeno en los 
gases de escape. 
 
1)
42
791(
21,0 maxmax





 (3) 
 
 En la Figura 6 podemos ver un diagrama de Ostwald. Este se construye para un 
determinado combustible. 
 
 
 
 
36 
 
Figura 6 Diagrama de Ostwald. 
 
CONSTRUCCIÓN DEL DIAGRAMA DE OSTWALD PARA EL METANO 
 
El gas Natural contiene en mayor proporción metano en su composición el que se quema 
con aire con una composición volumétrica de 21% de O2 y 79% de N2. 
 
 En otras palabras  2 23,76O N 
 
Para la construcción del diagrama determinamos: 
El  max 
El  max 
El  max de dicho gas 
 
Formulamos la combustión de 1 mol de gas metano: 
 4 2 2 2 2 22 3,76 2 7,52CH O N CO H O N     
De la cual vemos que se forma 1 volumen de CO2 seco y una cantidad de humos secos 
igual a 
2 27,52CO N (8,52 volúmenes) 
 
 
37 
Por lo tanto: 1173,052,8
1
min
2
max 
gV
VCO
 
 
Si formulamos ahora la combustión de 1 mol de metano pero de forma incompleta 
tendremos: 
 4 2 2 2 2 2
12 3,76 2 7,52
2
CH O N CO O H O N      
 
Con esta ecuación determinamos el valor del max 
 
 0554007,0)(2
)(
max
max
min
2
max 




gV
VO
 
 
y utilizando la misma ecuacióndeterminamos max 
 
 1108014,0).(2 max
min
max  
gV
VCO
 
 
Construcción del triángulo de la combustión 
 
Según los resultados encontrados, tomaremos sobre el eje vertical proporcional a 11,73 el 
valor del max en tanto por ciento y sobre el eje horizontal, una longitud proporcional al 21 
%, con lo que quedan determinados los catetos del triángulo. 
 
Utilizando el punto determinado por el  max =11,73 % y el punto correspondiente en el 
eje horizontal definido por max = 5,54007 %, tendremos la línea de aire. 
 
Y trazando, desde este último punto, un segmento normal a la hipotenusa, podremos 
obtener, sobre este, los porcentajes de los distintos  contenidos en los humos. 
 
Para obtener las líneas de coeficiente de exceso de aire n constante, establezcamos la 
ecuación química de la combustión con exceso de aire 
 
    4 2 2 2 2 2 2 22 3,76 2 7,52 2 1 3,76CH n O N CO H O N n O N        
A partir de ella vamos a determinar el valor de  
    152,9
1
52,952,952,8
1
)76,311.252,71
1






nnn
 
 
 152,9
1


n
 (*) 
 
Para la determinación del valor de  partimos de la ecuación de combustión incompleta. 
 
38 
    4 2 2 2 2 2 2 2
12 3,76 2 7,52 2 1 3,76
2
CH n O N CO O H O N n O N         
De la que se obtiene: 
 
    5,052,9
5,12
52,952,902,9
5,12
)76,31.2152,75,01
225,0









n
n
n
n
n
n 
 
5,052,9
5,12



n
n (**) 
Dando a n los valores ,.........8
10,
9
10,
10
10
 la ecuación (*) nos da los puntos de la 
hipotenusa y la ecuación (**) los puntos del eje de las abscisas que determinan la línea de 
n = const. Correspondiente. En la Tabla 5 se muestran los valores de n, ,  y  para la 
construcción del diagrama. 
 
n   
1,00 11,74 5,54 11,09 
1,11 10,44 7,17 
1,25 9,17 8,77 
1,43 7,94 10,36 
1,67 6,73 11,93 
2,00 5,54 13,48 
2,50 4,39 15,02 
3,33 3,25 16,54 
5,00 2,15 18,05 
10,00 1,06 19,54 
Tabla 5 Valores de n, ,  y  
 
Si se representan respectivamente en la Figura 7  -  se construye el diagrama. 
 
Figura 7 Líneas del diagrama de Ostwald. 
 
39 
El máximo valor de  = max = 11,08 % y se lo lee en la línea de CO en el punto de 
contacto de la línea de aire y con eje horizontal. 
 
INTERPRETACION DEL DIAGRAMA 
 
Todos los casos posibles de combustión están incluidos dentro del diagrama. con 
los valores obtenidos de los análisis de los gases de combustión, se obtiene el punto de 
operación. Si los valores de los análisis de los gases de escape dan un punto fuera del 
diagrama, quiere decir que los análisis están mal hechos o que el diagrama este mal 
trazado. 
Con los valores de los análisis de los gases se puede encontrar el punto de 
operación de la combustión. 
 
En la Figura 8 se observan cuatro zonas bien marcadas en el triángulo de Ostwald 
que son: 
 
Zona 1: Combustión óptima. 
Zona 2: Combustión con exceso de aire muy elevado. 
Zona 3: Combustión con defecto de aire. 
Zona 1: Combustión pésima, no se realiza en condiciones adecuadas. 
 
Figura 8 Zonas de combustión. 
 
 
BIBLIOGRAFÍA: 
 
- Generación de Vapor Marcelo Mesny 
- Combustión y Generación de Vapor Weiss y Torrequitar 
- Combustibles y Combustión Francisco Arguimbau. 
- Manuales Técnicos y de Instrucción para Conservación de Energía. Tomos 1 
- Boiler Operations P. Chattopadhyay 
- Gas Natural Borras E. 
- Combustión Irvin Glassman 
- Termoquímica I de Lisa Carrión Carrión y Juan Palou Navarro 
- Heinrich Burschel Angélica Hernández y Mauricio Lobos Leña: una fuente 
energética renovable para Chile.