Combustion Workshop

Equipos de CombustiEquipos de Combustióónnyy

Control aire/combustibleControl aire/combustible

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Discusión Objetivo1. Quemador de mezcla en

boquillaa) Función y componentes.b) Ventajas de la mezcla en

boquilla.c) Diseño y características de un

quemador.d) Tipos.

2. Ventiladores aire de combustión

a) Función y componentes.b) Diseño y características de un

ventilador.c) Introducción a las leyes de los

ventiladores.

3. Control aire/combustiblea) Mecanismo básico del flujo de

fluidos.b) Esquemas de control.

Fundamentos del funcionamiento, tipo de diseño y características de un quemador.

Fundamentos de ventiladores para aire de combustión

Entendimiento básico y mejores practicas para los sistemas de control aire/combustible

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Con quemadores de mezcla en boquilla, el aire primario y el combustible se mantienen separados hasta que alcanzan la boquilla del quemador, donde se mezclan antes de la ignición.

Quemadores de mezcla en boquilla

Air

Partial Premix

Air

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Funciones de un quemador:Dirigir el aire y el combustible a la boquilla para mezclar íntimamente el volumen de aire/combustible . Entregar la mezcla aire/combustible a la cámara o al espacio de combustión.Posicionar la llama en las áreas de mayor requerimiento de calor, maximizando con esto el calor transferido a la carga.Mantener encendida la mezcla aire combustible.Retener y estabilizar la llama - “Mantener la llama en la boquilla” (Desprendimiento y retroceso de llama)

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Quemadores Media/Alta Velocidad

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Forma de la Llama (Geometría)

Llama de alta velocidadLlama de alta velocidad

Cámara de combustión

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Componentes de un quemador

Nozzle

Body

Alloy Combustion Tube

Refractory Block

Air Inlet Orifice

Fuel Gas Inlet Orifice

Rear Cover

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Ventajas de un quemador de mezcla en boquilla

Amplio rango de estabilidadFácil control de la rata de mezclado y de la forma de la llamaQuemado de diferentes gases combustibles sin cambiar la boquilla. Impulsar o darle velocidad a la llama y a los productos de combustión.Fácil calibración y mantenimiento.

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Características de mezcla en boquillaForma de la llamaLa forma de llama varia con el exceso de aire o con el exceso decombustible y varia con el diseño de la boquilla.

Estabilidad sobre varios rangos de quemado y condiciones.

Excesos de aire o combustible.

TurndownRelación de la máxima rata de quemado a la mínima rata de quemado.

Amplio rango de turndown sin retroceso de llama.

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Otros tipos de quemadores

Quemador de llama espiral– Forma de llama de propósito

especial.– El aire y el gas al girar crean

una llama plana en forma de disco.

– Los giros rodean las paredes o el techo en una superficie radiante.

– Permite ubicar el quemador cerca de la carga.

Quemador de Tubo Radiante– Fuego indirecto.– La configuración de la llama y

el patrón de entrega de calor, deben ser muy uniformes para evitar que el tubo se queme.

– Disponible en modelos con aire de combustión a temperatura ambiente o con aire precalentado.

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Otros tipos de quemadores

Quemador incinerador de humos

– Diseñado específicamente para incinerar humos o gases.

– Usa el oxigeno contenido en la corriente de humos como aire de combustión.

– La corriente de humos es comúnmente precalentada a 1000 °F o mas.

Quemador para tubo de inmersión– Fuego indirecto.– Quema dentro de tubos de

serpentines en tanques de líquidos, usualmente soluciones a base de agua a 82 °C o menos.

– La configuración de la llama y el patrón del calor entregado, deben ser muy uniformes para evitar que el tubo se queme.

– Disponible como un modelo paquete.

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Quemadores para hornosQuemadores Modulares– Fuego directo.– Quemadores tipo lineares,

formado por módulos rectos, en tee o en cruz.

– Pueden ser instalados en las paredes laterales del horno o dentro de un ducto.

– La construcción modular permite gran flexibilidad en la configuración y en la capacidad de quemado.

Quemadores Paquete– Usados principalmente en

procesos de bajas temperaturas, hasta 650 °C.

– Usualmente fabricado en todo en metal.

– Es una practica común ensamblarlos con el ventilador para el aire de combustión y con los controles

– Diseñado para instalarlo en las paredes de los hornos.

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Makeup Air Burners

Quemador Modular– Fuego directo.– Diseñado para resolver

requerimientos para producir niveles muy bajos de CO y NOx incluso en corrientes de aire sub-zero.

– Quemadores tipo lineares, formado por módulos rectos, en tee o en cruz.

– La construcción modular permite gran flexibilidad en la configuración y en la capacidad de quemado.

– La capacidad del quemador esta dada por pie lineal.

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Inlet

Base

ImpellerHousing

Discharge

Motor

Suministro aire de combustionSuministro aire de combustion

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Características del aire de combustión

• Los ventiladores de combustión son rateados en términos de pies cúbicos estándar (scf) de aire.

• Condiciones estándar son:– 70 * F – Nivel del mar – (29.92 “ Hg) presión barométrica

• La densidad estándar del aire:• 0.075 lb/cu ft.• Gravedad especifica 1.0

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Funciones del ventilador1. Usados como fuente de aire de

combustión para la mayoría de sistemas de combustión.

2. Principio del ventilador centrífugo o turbo ventilador:

1. El aire entra por el oído del rotor o impeler.

2. El aire es lanzado fuera del perímetro del rotor por fuerza centrífuga.

3. La cubierta en forma de voluta, recoge el aire y permite que este se contraiga, convirtiendo la energía cinética (velocidad) en energía potencial (presión).

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Diseño de ventiladores y características

Example:8 x 0.5 cu ft. x 1800 rpm = 900 cfm

1. Los ventiladores centrífugos son básicamente equipos de volumen constante; a una velocidad de rotación dada, entregaran el mismo volumen de aire sin tener en cuenta su densidad.

2. Por ejemplo: el rodete del ventilador tiene 8 segmentos, cada uno con un volumen (V), y el rodete esta rotando a (R) rpm, el flujo teórico del ventilador será:

8 x V x R

Cada segmento del rodete se llena de aire y se vacía una vez por cada revolución.

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17

16

15

3600

3500

3400

8

6

4

2

0

Air Flow, cfm x 100

2 4 6 8 10 120

Pressure OSI

RPM

HP

CaracterCaracteríística de los ventiladores de combustistica de los ventiladores de combustióónnLa máxima capacidad del ventilador, esta en el punto

en el cual el motor es operado a full carga.

Leyes de ventiladores1. Flujo vs. Velocidad

– Los cambios en flujo (V) en relación directa a la velocidad (S)

2. Presión vs. Velocidad– Los cambios en presión (P)

como el cuadrado de la velocidad (S)

3. Potencia vs. Velocidad– Los cambios en potencia

(HP) consumida como el cubo de la velocidad (S)

Conocidas como las 1-2-3 reglas de los ventiladores centrífugos

Eclipse Engineering Guide

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Control aire combustible

Gas Flow

P1 P2Orifice

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Mediciones de presión y flujoP1

P2

P1 = Presión estática de entrada

P2 = Presión estática de salida

P1 – P2 = Presión diferencial

Gas Flow

Orifice Plate

27.8 pulgadas de agua igual a 1 psig.

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Medición básica y calculo del flujo.

1. Una comprensión básica es necesaria para medir y calcular los flujos de gas asociados a un sistema de combustión

2. El aire y el combustible suministrado a un quemador, es controlado por resistencias fijas y variables.

3. La resistencia creada es por el uso de las válvulas y los orificios.4. Los quemadores para procesos de calentamiento, usualmente

están diseñados para usar baja presión en el aire y en el gas.• Menos que 1 psig o el equivalente en pulgadas de agua (27.8)

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El flujo de gases a través de un orificio puede ser determinado por esta formula:

Q Q =1658.5 x A x k=1658.5 x A x kQ = Flow in cubic feet per hour of air, gas or mixture.A = Area of orifice in square inches.P = Pressure differential across the orifice measured as

inches of water column. (“w.c.) G = Specific gravity of gases flowing through the orifice as compared to air.

(air = 1.0, natural gas = 0.60, propane vapor = 1.52)K = Coefficient of Discharge

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Características de las válvulas de flujo

100 90 80 70 60 50 40 30

20 10 0Fl

ujo,

% d

e m

axim

a ca

paci

tate

% de apertura10 20 30 40 50 60 70 80 90100

EqualP

ercent

age

Characte

rizedA

PValve

s

Adju

stable

PortV

alves

Fixed

Port V

alves

Linea

r

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Relaciones de control usando (linked) Válvulas proporsionadoras de puerto fijo

Principio de operación1. Los plenums de Aire y Gas en el quemador, son las

resistencias fijas en el sistema.

2. Las válvulas de control en las líneas de aire y gas son las resistencias variables.

3. Las dos válvulas están conectadas por barras a un actuador común, por esto, en teoría, ellas abren y cierran en proporción, manteniendo una relación fija de aire-gas sobre el todo el rango del turndown del sistema.

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(linked) Válvulas de Puerto FijoVentajas+ La operación de las válvulas

puede ser fácilmente entendible.

+ Las partes en movimiento están visibles, existiendo poca posibilidad que se presente un imperfecto no visible.

+ Pueden usarse con baja presión de gas, si una válvula de gas lo suficientemente grande es seleccionada. La presión requerida es ligeramente mayor que la requerida por la boquilla del quemador (2 en la figura anterior).

+ Sistema económico.

Desventajas- Las diferencias en las

características de las válvulas, hacen difícil o imposible mantener una relación fija de aire/gas a lo largo de todo el rango del turndown. El sistema es mejor limitarlo al control alto-bajo fuego.

- Si el suministro de aire se disminuye debido al rotor del ventilador sucio o un filtro tapado, el sistema permitirá que la relación aire/gas se vuelva una mezcla rica. La válvula de gas responde solo a cambios del enclavamiento mecánicos, no a cambios en el flujo de aire .

Relación de control usando válvulas (Características de ajuste) proporsionadoras

Principio de operación1. Los plenums de Aire y Gas en el quemador, son las

resistencias fijas en el sistema.

2. Las válvulas de control son las resistencias variables y están conectadas en tandem a un actuador.

3. Por que es prácticamente imposible lograr fijar las válvulas de puerto fijo para obtener un flujo proporcional sobre el rango del turndown, al menos una de las válvulas es ajustada con tornillo, el cual hace que la característica de flujo de la válvula se asemeje a la otra válvula de puerto fijo.

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(Características ajustables) Válvulas

Ventajas+ La operación de la válvula puede

entenderse rápidamente.+ Las partes son visibles y con un

pequeño cambio, un imperfecto oculto se hace visible.

+ Pueden ser usadas con baja presión.

+ Pueden ser usadas como proporsionadoras o como sistemas de control alto-bajo.

Desventajas- Las válvulas de características

ajustables son costosas.- El tiempo requerido para la

calibración. Los 8 a 12 puntos de ajuste de los tornillos calibradores, los cuales deben ser setiados individualmente cuando el quemador se pone a punto.

- Si el suministro de aire se disminuye debido al rotor del ventilador sucio o un filtro tapado, el sistema permitirá que la relación aire/gas se vuelva una mezcla rica. La válvula de gas responde solo a cambios del enclavamiento mecánicos, no a cambios en el flujo de aire .

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Relación de control usando proporsionadores

Principio de operación1. El plenum de aire en el quemador es la resistencia fija para el flujo

de aire.

2. El plenum de gas en el quemador, que es usualmente mas grande es la resistencia fija, entonces una válvula de ajuste es instalada a la estrada de gas.

3. Al calibrar, esta válvula se ajusta para proporcionar el flujo de gas correcto cuando la presión de gas (2) es igual a la presión de aire (1). En bajo fuego, la relación gas-aire es setiada con un resorte dentro del proporsionador.

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Relación de control usando proporsionadoresVentajas+ Fácil de calibrar. Una vez calibrados

el alto y el bajo fuego, las posiciones intermedias de las relaciones de flujo del aire y gas quedan ajustadas automáticamente.

+ Pueden ser utilizados para sistemas de control alto-bajo fuego.

+ Ningún problema con las diferentes características de flujo de las válvulas. El proporsionador es esclavo con la válvula de flujo de aire y automáticamente asemeja sus características de flujo.

+ Las perdidas de aire no incidirán en que la mezcla aire/gas se vuela rica.

Desventajas- Requiere mayor suministro de presión

de gas. - La presión de gas en (3) en el

esquema del sistema de control, debe ser igual a la presión de gas en (1) mas la caída de presión a través del proporsionador.

- Los principios de operación del proporsionador son difíciles de entender, especialmente para operarios que no sepan como calibrar correctamente un sistema de control.

- Las partes internas del proporsionador no son visibles, los operarios no saben si esta trabajando correctamente.

Proporsionador con Bleed Fitting

Principio de operación1. Usado en un sistema con proporsionador cuando la presión de gas

en (3) es menor o igual que la máxima presión de aire (1). El proporsionador no puede asemejar el flujo de gas con el flujo deaire quedando fuera del rango de quemado.

2. Un ajustable bleed fitting (básicamente una válvula de aguja montada en tee) reduce la presión en la línea (4) aplicada a el proporsionador a una presión 2 pulgadas menor que la presión de entrada en (3).

3. Esto permite al proporsionador responder a cambios en la presión del aire (1) y controlar la relación aire/gas a lo largo del rango del turndown.

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Proporsionadores con Bleed fittingsVentajas+ Lo mismo que los sistemas de

control convencionales, excepto que mayores presiones de entrada de gas no son requeridas.

Desventajas- Poseen pequeños orificios

los cuales son susceptibles a taponamiento por contaminantes en el vapor del aire.

- Filtros en el aire de combustión aliviaran el problema, ahora los bleed fittings requieren mantenimiento y están sujetos a ser manoseados por personal no autorizado.

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Relación de control usando equipos electrónicos de control

Principio de operación1. Sistema sofisticado, una variación del sistema de enclavamiento

mecánico. En este caso el enclavamiento es electrónico en ves de mecánico. El sistema es también conocido como sistema de control por “flujo de masa”, aunque este es un nombre equivocado – las señales de flujo entregadas al controlador, están relacionando la presión diferencial o la presión de velocidad.

2. Las líneas de aire y combustible, cuentan con una valvula de control con su actuador y medidor de flujo (placa orificio & transmisor de presión diferencial, contador de turbina, medidor tipo Vortex, etc)

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Relación de control usando equipos electrónicos de controlContinuación del principio de operación:3. Una de las válvulas es manejada por el controlador de temperatura.

Los medidores de flujo de ambas válvulas, de aire y combustible, envían una señal proporcional al controlador de relación de flujo. El controlador compara estas señales , y si están fuera de relación, envía una señal de corrección a la válvula correspondiente, obteniéndose la relación aire/combustible deseada.

Ventajas+ Exactitud muy alta, inherente al

sistema electrónico.+ Puede integrarse con el sistema de

control central (PLC) para controlar los quemadores, así como puede entregar los consumos de combustible.

+ No permite que la mezcla se vuelva rica si hay algún problema con el aire de combustion.

Desventajas- Mas costoso que todos los sistemas de

control.- No importa quedan sofisticada sea la

electrónica, la exactitud del sistema esta dada por los elementos medidores del flujo.

- Si la placa orificio es utilizada para medir el flujo, el mejor turndown es 4:1

Operación con exceso de aire, controlando solo el flujo de combustible

Principio de operación1. Este sistema es conocido como “control solo del combustible” o

sistema “aire fijo”; Este es el mas simple de todos los sistemas de exceso de aire.

2. Un actuador con válvula de control es colocado en la línea de gas. En la línea de aire no hay control.

3. Una válvula manual de ajuste se instala en la línea de aire, para limitar el alto fuego.

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Operación con exceso de aire controlando solo el flujo de combustible

Ventajas+ Bajo costo+ Permite lograr el máximo

exceso de aire del quemador.

+ Permite un rango mas exacto del turndown del quemador.

+ Puede ser usado en sistemas de control proporcionales o control alto-bajo.

Desventajas- Si múltiple quemadores son

controlados por una sola válvula de control de combustible, reduciendo o cortando el suministro de combustible de uno o mas quemadores, causa que los otros quemadores queden con una mezcla rica.

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Resumen de los sistemas de control aire/combustible

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PreguntasPreguntas

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