LA COMBUSTION - dimec - Universidad de Santiago

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
HSN/vcp.
INGENIERIA DE EJECUCION MECANICA
PROGRAMA DE PROSECUCION DE
ESTUDIOS VESPERTINO
ASIGNATURA CONTAMINACION AMBIENTAL Y
DESARROLLO SUSTENTABLE
NIVEL 06
EXPERIENCIA E960
“FENOMENO DE LA COMBUSTION”
HORARIO: MARTES DE 19.00 A 21.30 HRS.
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Introducción:
La combustión es la forma predominante de generar energía térmica principalmente a nivel
industrial. A su vez, el consumo de combustible sujeto a las fluctuaciones de precios que
ellos tienen en los mercados nacionales e internacionales, lo convierte en un insumo de gran
relevancia para el sector productivo, el que se hace sentir, de una u otra forma, en el valor
final del producto obtenido.
Lo anterior, es una justificación más que valedera para establecer políticas y acciones que
tiendan a



optimizar el rendimiento de combustión de las Fuentes
a racionalizar el uso de combustibles
colaborar con las campañas de descontaminación establecidas por el
gobierno.
El parámetro más importante es el RENDIMIENTO DE UNA FUENTE y para su
determinación convergen una serie de variables que hacen muy difícil la compatibilización
simultánea de todas ellas. Por lo tanto, he considero - en primer lugar - mostrarles a
ustedes las variables que han permitido establecer un “PROTOCOLO DE CONTROL” que
se aplica a todas las fuentes estacionarias de combustión y, dejaré para otra oportunidad, lo
referido a
 Fuentes móviles, de responsabilidad del MTT
 Material particulado, Norma : CH-5 y Análisis de Gases Contaminantes Norma :
CH3-A de responsabilidad del SEREMI de SALUD Metropolitano.
 Procedimientos para Inspección Periódica de las Instalaciones Domiciliarias de Gas
Combustible los D.S. 222 Abril de 1996, D.S. 489 de Septiembre de 1999 y D.S. 66
de Febrero del 2007 de responsabilidad de SEC.
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FENÓMENO DE LA COMBUSTIÓN
En términos Químicos, la combustión corresponde a la Oxidación de una sustancia conocida
como combustible, para generar Energía. La ecuación química teórica que representa al
proceso de combustión es :
CxHy + ( x+
y
y
) O2  x CO2(g) + H2O(v) +E
4
2
Aquí se habla de una ecuación química teórica por 2 razones:

El combustible está siendo representado por un hidrocarburo de la forma C xHy, pero en la
práctica sabemos que los combustibles contienen además S, N, O como parte de su
composición y que no aparecen en la ecuación anterior, sin embargo, deben ser
considerados en las ecuaciones de balance de masa y energía asociadas con el
proceso.

Por otra parte, la combustión desde el punto de vista químico, se realiza con O2 como
comburente. Sin embargo, a nivel doméstico e industrial se realiza con aire, el que
corresponde a una mezcla - en volumen - formada por 21 % de O2 y 79 % de N2 y, el
N2 que ingresa junto al oxígeno es muy estable, prácticamente no experimenta cambios
medibles durante el proceso, y abandona finalmente la cámara de combustión tal como
ingresó, pero sacando - una cantidad no despreciable de calor sensible desde el
hogar para entregarlo al ambiente. En otras palabras, se está calentando el aire
ambiente.
Composición centesimal promedio (en peso) de los combustibles usados en Chile
%C
%H
%O
%N
%S
Gas
Gas
Gas
P.#6
Licuad Ciudad Natural
81,0
29,5
76,0
86,6
18,9
8,6
23,2
10,6
0,0
46,8
0,0
0,1
0,0
15,1
0,8
0,1
P.#5
86,1
12,0
0,1
0,1
Diesel
86,3
13,1
0,0
0,0
Parafina
Leña
Carbón
85,9
13,5
0,0
0,0
45,3
8,0
46,4
0,0
72,2
5,6
11,8
1,3
1,7
0,0
0,0
0,0
2,6
1,7
0,6
0,6
0,4
Los productos de combustión son todos gaseosos y emergen desde la cámara de humos a
alta temperatura y bajas presiones, lo que significa que los gases de escape se comportan
aproximadamente como ideales, ya que para esas condiciones “el factor de compresibilidad
Z tiende a 1”.
Z=1+
1
a
a
a
(b 
)P 
( 2a 
) P 2  ......
3
RT
RT
RT
( RT )
lím (
Z
) P 0  1
P
3
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Para los Organismos Fiscalizadores Chileno ( Seremi Salud; SEC ; ISP; MTT; CONAMA) los
resultados de las mediciones deberán estar referidas a la base de cálculo de 25ºC y 1,0
atm, de acuerdo a lo establecido en el D.S. Nº4 del 2 de Marzo de 1992, del Ministerio de
Salud. Por lo tanto, el volumen molar de la mezcla será
Vm =
R·T 0,082 (atm ·L / mol º K ) * 298,16 º K

= 24,45 ( L / mol)
P
1atm
La reacción de combustión, no podría realizarse si faltará ciertas condiciones tales como:



La proporción aceptable entre aire y combustible: RAC
Un valor determinado de presión y temperatura conocido como Condición de
Ignición.
Un mezclado homogéneo entre combustible y comburente
De acuerdo con estos parámetros podemos concluir que
combustión estará vinculado:

el RENDIMIENTO de la
Al estado y calibración adecuada de los quemadores.
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
Se necesita un tiempo de residencia adecuado de la mezcla combustible en el interior
del hogar, para garantizar la quema total.

Las dimensiones adecuadas del recinto donde se realizará la combustión, llamado
hogar, deberá estar a temperatura adecuada para combustionar totalmente la mezcla.
Este recinto debería estar tapizado interiormente por refractarios para conservar la
temperatura, lo que se conoce como mampostería
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De acuerdo a la composición centesimal del combustible, este contiene C % de carbono (
en masa) y la reacción de oxidación será:
C + O2(g) = CO2 (g)
entonces:
C gr de C 1molde C 1molde O 2 24,45lt de O 2 1m 3 de O 2 1000gr Cb





100gr Cb 12gr de C 1molde C
1molde O 2 1000lt de O 2
1Kg Cb
3
 C   m NdeO2 
 0.2445   

 12   Kgcb 
Esto significa que para combustionar totalmente el %C contenido en 1 kg combustible,
se requieren de 0,2445 (
C 3
)m N Oxígeno
12
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de acuerdo con la ecuación anterior el máximo valor de CO2 que se obtendría es :
CO2
3
 C   m N .deCO2 
 0.2445   

 12   Kgcb 
Las reacciones químicas de combustión para los restantes componentes del combustible:
Azufre (S),
Nitrógeno(N)
y
Oxígeno
(O) las podemos presentar por las siguientes
ecuaciones:
S· + O2
=
SO2
N· + O2
=
NO2
- O· + (1 / 2) O2
=
- O2
La cantidad de oxígeno requerido será :
Para Nitrógeno:
0,2445 x (
N
)
14
( m3N Oxig / Kg cb )
Para Azufre :
0,2445 x (
S
)
32
( m3N Oxig / Kg cb )
Para Oxigeno:
(-) 0,2445 x (
O
)
32
( m3N Oxig / Kg cb )
como se está realizando el balance referido al Oxígeno necesario para combustionar 1 kg
de combustible, debemos restar el oxígeno propio que trae el combustible.
Si sumamos el oxígeno necesario para combustionar cada componente del combustible ( el
C; H; N; S y O), y sacando factor común 0,2445 tendremos:
O T = 0,2445 x [
C
S
N O
H
+
+
+
] ( m3N Oxigeno / Kg Cb )
12
32 14 32
4
Cuando en
lugar de Oxigeno usamos Aire como comburente, el proceso se denomina
Quemado.
Considerando que el aire contiene 21% en volumen de Oxígeno, entonces
podemos calcular el aire estequiométrico necesario para quemar 1 Kg de combustible:
3
1m 3N Aire
 C  m N .deOxigeno
 C  m3 aire
0.2445  

 1.164   N
3
Kgcb
0.21m N Oxígeno
 12 
 12  Kgcb
y, la ecuación general para evaluar la cantidad de aire sería:
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A T = 1,164 x [
C
H
S
N O
+
+
+
]
12
4
32 14 32
(m3N Aire/Kg Cb)
En relación a los gases producto de la combustión, conocidos como gases de escape, estos
estarán formados por:
CO2
=
SO2
=
NO2
=
H2O
=
N2
=
C
)
12
S
0,2445 x (
)
32
N
0,2445 x ( )
14
H
0,2445 x ( )
2
0,2445 x (
0,79· AT
(m3N / kg Cb)
(m3N / kg Cb)
(m3N / kg Cb)
(m3N / kg Cb)
(m3N / kg Cb)
La suma de estos productos, nos entregan los gases de escape teórico húmedos o gases
estequiométricos húmedos.
GTH= 0,2445 · [
C H
S
N
+ + + ] + 0,79·AT ( m3N / kg Cb)
12 2 32 14
Cuando las combustiones se realizaran con el Aire Teórico o
Estequiométrico, éste sólo enciende la llama, pero no es capaz de mantenerla. Para ello se
requiere una cierta cantidad de Aire en Exceso.
1.- El Aire en Exceso
El exceso de aire está perfectamente controlada por el Organismo Fiscalizador a través del
Decreto Supremo Nº 322 de 1993 (SESMA). La razón por la cual se debe controlar el
exceso de aire es para evitar:

La dilución de cualquier contaminante que se desee medir, principalmente
material particulado.
8
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
Porque el exceso de aire enfría el hogar de la fuente, y la combustión se
hace incompleta generando monóxido de carbono CO.

El N2 del aire no interviene en la reacción de combustión, sin embargo, saca
calor sensible del hogar (Cp · dT) para entregarlo a la atmósfera.
Para evaluar el porcentaje de Aire en Exceso, debemos conocer previamente la Relación de
Aire . Este parámetro se define operacionalmente como el cuociente entre Aire real y Aire
teórico:

=
Aire Re al que ingresa a la cámarade combustión AR
21
=
=
Aire T eóricoque intervieneen la combustión
(21  O2 m)
AT
Entonces se habla de Gas Real Húmedo cuando hay exceso de aire:
Gas Real Húmedo = Gas Teórico Húmedo + El Aire en exceso
GRH = GTH + A exceso
Definimos :
=
- 1 =
- 1 =
AR
21

AT (21 O2m )
AR
1
AT
AR - A T
AT
Pero en termodinámica sabemos que la diferencia entre lo Real y Lo Teórico se llama
Exceso
Aire en Exceso =  AR - AT
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- 1 =
AExceso
AT
100 · (-1) = 100 · [
El Aire en exceso será :
/· 100
AExceso
] = % A. Exceso
AT
A.Exceso = AT ·( - 1)
Por lo tanto se ha normado el porcentaje de aire en exceso máximo permitido para las
combustiones, a través del D.S. Nº4 del 2 de Marzo de 1992 del Ministerio de Salud y
también fue acogido por la SEC para las fuentes domiciliarias. Los valores se reportan en la
siguiente tabla:
COMBUSTIBLE
% A.Exc.
máximo permitido
Diesel
20
P# 5
40
P#6
50
Carbón parrilla
100
Carbón pulverizado
50
Leña, Astilla, Aserrín
150
Kerosenne
20
Gases combustibles
10
GN; GC y GLP
En la práctica, los equipos analizadores, determinan el O2 que no interviene en la reacción
química, por lo tanto se conoce el valor de  ( relación de aire), la que conlleva a determinar
finalmente la RAC del proceso
El aire total que ingresa a la cámara de combustión de la fuente será :
ATotal = ATeórico + A Exceso
= AT + AT· ( - 1 ) (
m 3 Aire
)
Kg com bstible
10
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= AT·  (
m 3 Aire
)
Kg com bstible
Como se conoce la densidad del aire a las condiciones en que se midió el O2 en exceso, el
cual es de  (
(
Kg Aire
m 3 Aire
), tendremos el valor de la RAC = AT·  (
)·
m3 Aire
Kg com bustible
Kg Aire
Kg Aire
) = AT· · (
)
3
m Aire
Kg cb
El mejor valor de la RAC =
15 Kg Aire
1 Kg combustible
Cuando una fuente supera el valor establecido por la norma, deberá aplicarse, un factor de
corrección por Aire en Exceso, establecido en los decretos Nº 32/ 1990 y Nº 322/ 1991
[C] Corregida = [C ] Medida · fc
Donde
fc = factor de corrección =
[C] Corregida = [C ] Medida · (
100  % AExc.m edido
100  % AExc.m áx. perm itido
100  % AExc.m edido
)
100  % AExc.m áx. perm itido
En lo referente al Q : caudal de los gases de escape, según el D.S. Nº 812 de 1995 del
Ministerio de Salud, indica que también debe ser corregido según la ecuación :
Q corregido =

Q corregido = Q medido · (
Q medido
fc
100  % AExc .máx . permitido
)
100  A.Exc .medido
2.- RENDIMIENTO DE LA COMBUSTIÓN:
De acuerdo a la ecuación básica de combustión establecida anteriormente
CxHy + ( x+
y
y
) O2 = x CO2(g) + H2O(v) +E
4
2
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Podemos decir que mientras mayor sea la emisión de CO2(g), significa que más completa
ha sido la combustión, por lo tanto, el CO2(g) desprendido es un parámetro indicativo de una
buena combustión. De acuerdo a lo expresado anteriormente
3
 C   m deCO 2 
 

 12   Kgcb 
CO2 máx  0.2445  
Si este valor lo referimos porcentualmente a los gases Reales Secos (GRS) tendremos:
% CO2 máx.
C
0.2445  
 12 
= 100 ·
GRS
Por lo tanto, el Rendimiento de la combustión lo determinamos en función del % CO2 medido
y el porcentaje de CO2 máx.,teórico
%  combustión =
%CO2 m edido
x100
%CO2 max
3.- DETERMINACIÓN DE LA PLENA CARGA DE LA FUENTE
Los Organismos Fiscalizadores
solicitan hacer las mediciones de las fuentes a “plena
carga”, ya que a esta condición los parámetros de seguridad son perfectamente conocidos
por el fabricante de la fuente y se encuentran debidamente informados en la “placa de la
caldera”
La Plena Carga se refiere al consumo máximo de combustible en
el quemador de la fuente, para lograr su potencia nominal para la
cual fue diseñada la fuente
La determinación de la plena carga requiere en primer lugar conocer el caudal normalizado y
corregido de la fuente problema (Qnc). Este parámetro se determina conociendo el área del
ducto de evacuación y la velocidad de los gases de escape.
Q medido = v (
m
) x Area ducto ( m2)
h
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La velocidad de los gases efluentes se determina haciendo un barrido con un tubo de Pitot,
para determinar la presión de velocidad, en la sección transversal del ducto de chimenea
pitot =
 p
i
n
De la ecuación de Bernulli
V = 34,97 · Cp ·
Tg ·P
(m/s)
Pabs·Mw
34,97 = factor que hace dimensionalmente compatible la identidad.
Cp = Coeficiente del Pitot que se utilice
Tg = Temperatura absoluta de los gases
P = Delta Pitot ( mm.c.a.)
Pabs = Presión Absoluta ( mm Hg)
Mw = Peso molecular del gas húmedo
el área de flujo será :
Ach =  r2 =  (
 2
) (m2)
2
Caudal de los gases de escape Normalizado y corregido será:
Pm·Vm PN ·VN

Tm
TN
Pm·Qm PN ·QN

Tm
TN
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Pm·Vm PN ·VN

Tm
TN
Pm·Qm PN ·QN

Tm
TN
fN=
Q N TN
298 ,16
P
P
P
* ( ) m = 0,3923 * ( ) m

* ( )m =
760
T
T
Qm PN T
fc = factor de corrección =
100  % AExc.m edido
100  % AExc.m áx. perm itido
El contenido de humedad de los gases de escape se determina usando el Nomograma de la
EPA
Con este nomograma es posible conocer el peso molecular de los gases de escape como
secos (Dry) y como húmedos (WET) mediante las relaciones :
XH2O =
Xgs =
MW  M D
18  M D
M W  18
M D  18
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Porcentaje de humedad: % H2O = 100 · Xgs
P
3600 · Vch · A · Xgs · 0,3923 · ( ) m
T
fc
El caudal Normalizado y corregido por aire en exceso:
Q NC
P
1412 ,3·Vch ·Ach ·Xgs ·( ) m
m 3 ge
T
=
(
)
fc
h
El consumo de combustible, para las condiciones de operación de la fuente se puede
determinar por la relación :

m3
)
kgcb
h
CC (
) =
h
m3
GRS(
)
kgcb
Q NC (
El porcentaje de plena carga de la fuente, se determina por la relación:
Plena Carga =
Consumo Calculado (normaliza . y corregido)
x100
Consumo Nominal
80 % < Plena Carga < 100
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4.- DETERMINACIÓN DEL VAPOR GENERADO POR LA FUENTE
El cálculo de la generación de vapor no es un cálculo exacto sino más bien una estimación
ya que la fuente está sujeta a cambios constantes de consumo combustible, de variaciones
de presión y temperatura, de cambios operacionales afectada por la producción de la
empresa y por las exigencia de vapor solicitadas al operador de la fuente. Podríamos de
decir que sólo tenemos una buena aproximación en la generación de vapor, al considerar lo
teórico
Más representativo resulta el cálculo a través de tablas de vapor saturado, ya que para
aplicarla debemos considerar la presión manométrica del vapor y la temperatura, el
rendimiento de combustión y el consumo de combustible. Todos estos parámetros son
valores medidos instrumentalmente en la fuente combustiva y, por ende, nos acercan mucho
a lo real.
Vapor =
PotenciaCalórica quem ador( Kcal / h) CC · ·PCI
=
H
Entalpía del vapor( Kcal / Kgv)
CC = consumo combustible

Kgcb
h
= rendimiento de la combustión
PCI = poder calorífico inferior (
H = Entalpía total (
Kcal
)
Kgcb
Kcal
)
Kgv
En esta ecuación es ideal ya que no se ha considerado las pérdidas, sólo hemos supuesto
que el consumo de combustible se ha transformado totalmente en calor.
Combustible
Diesel
P#5
P#6
GLP
GN
GC
PCS
Kcal
Kg cb
12.572
12.014
10.658
11.200
15.079
6.618
PCI
Kcal
Kg cb
12.228
11.239
10.037
10.108
13.761
6.087
Densidad
combustible(
Kg cb
)
m 3 cb
0.85
0,96
0,98
2,00
0,63
0,68
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RENDIMIENTO EN LA GENERACIÓN DE VAPOR
% R Vapor =
Vapor producido por la fuente
*100
Vapor informadopor fabricante(placa)
PROBLEMA APLICACIÓN:
La caldera de una recauchadora de neumáticos usa petróleo diesel #2 como combustible.
La placa de la caldera nos da la siguiente información:
 Presión de trabajo ( vapor) = 75 psi ( aprox. 5 atm)
 Vapor generado = 900 kgv/h
 Consumo nominal = 45 (Kg cb/h)
 Diámetro de flujo chimenea = 15,7 pulgadas (0,4 m)
 Presión absoluta ( barométrica) = 718 mm Hg
Los parámetros de combustión leídos a la condición de plena carga son los siguientes:





% CO2= 6,5
% O2 = 8
CO en el ambiente laboral = 42 ppm
Temperatura de los gases = 170 ºC
Presión de velocidad promedio de los gases = 0,8 mm.c.a.
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
Peso molecular promedio gases de escape secos = 29,7 (g/mol)
Desarrollo:
A T = 1,164 x [
C
H
S
N O
86,3 13,1 0,6


+
+
+
] = 1,16 · (
) = 12,16 (m3N Aire/Kg
12
4
12
4
32
32 14 32
Cb)
 
AR
21
21


 1,6
AT
( 21  O2 m )
( 21  8)
1
%AExc = 100 · (-1) = 100 ( 1,6 -1) = 60 %
 ge =
P·Mw

RT
1Atm ·28,9
g
m ol
Atm ·L
0,082
·(170  273,16)º K
º K ·m ol
 0,74
Kg
m3
RAC = At · · ge = 12,16 · 1,6 · 0,74 =
fC =
14,4
1
100  60 160
100  % AExc. m edido

 1,33
=
100  % AExc.m áx. perm itido 100  20 120
% CO2 (correg) = % CO2 (medido)· fC = 6,5 · 1,33 = 8,6 %
Respecto al monóxido de carbono ambiental CO
CO corregido = CO m · fc = 42 · 1,33 = 56 ppm.
Considerando que lo máximo permitido para interiores es 45 ppm, la fuente queda con
sello amarillo y sujeta a revisión mecánica.
GRH = 0,2445 (
C H N S
m 3GRH
)
   )  AT (  0,21) (
12 2 14 32
Kg.cb
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GRH = 0,2445 · (
86,3 13,1 0,6
m 3 GRH


) + 12,16 · (1,6- 0,21 ) = 20,2
12
2
32
Kg .cb
H
19
m 3GRS
GRS = GRH – 0,2445 · ( ) = 24 – 0,2445 · ( ) = 18,6 (
)
2
2
Kg .cb
De acuerdo a la composición centesimal del combustible:
m 3 N .CO2
C
86,3
CO2 máx . = 0,2445 · ( ) = 0,2445 · (
) = 1,76 (
)
12
12
Kg .cb
m 3 N CO 2
Kg cb
% CO2 máx. =
x 100 = 9,46 %
m3 N GRS
18,6
Kg cb
1,76
 Combustivo
=
CO2 m edidoy corregido 8,6
X 100

CO2 m áx.
9,46
= 91 %
De acuerdo con el Nomograma tenemos:
Xgs =
Vch = 34,97 · Cp ·
Ach =  r2 =  (
Q NC
M W  18 28,9  18
 0,94
=
M D  18 29,6  18
Tg ·P
=34,97 · 0,84 ·
Pabs·Mw
443,16·0,8
m
 3,9( )
718·28,9
s
 2
0, 4 2
) (m2)=  (
) = 0,126 m2
2
2
718
P
)
1412 ,3·Vch ·Ach ·Xgs ·( ) m 1412,3 ·3,9 · 0,126· 0,94 · (
m 3 ge
443,16
T
 782,4 (
=
=
)
fc
h
1,33
El consumo de combustible, para las condiciones de operación de la fuente se puede
determinar por la relación:

m3
Q NC ( )
kgcb
h = 782,4  42 Kg cb
CC (
) =
h
18,6
h
m3
GRS(
)
kgcb
19
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
HSN/vcp.
El porcentaje de plena carga de la fuente, se determina por la relación:
Plena Carga =
Consumo Calculado (normaliza . y corregido)
x100
Consumo Nominal
42
* 100  93,5%
=
45
80 % < Plena Carga < 100 %
Por lo tanto la fuente, durante la medición, se mantuvo a plena carga como exige la Norma.
El vapor producido por la caldera:
A través de la tabla de vapor saturado y con la presión manométrica del vapor de 75 psi (
5 Atm ), la entalpía total es de 657 (
Vapor =
Kcal
), entonces:
Kgv
PotenciaCalórica quem ador( Kcal / h) CC · ·PCI
=
H
Entalpía del vapor( Kcal / Kgv)
Potencia del quemador será:
Pc (
kcal
Kcb
Kcal
kcal
) = 42(
) · 0,91 · 12.228(
) = 467.354,2 (
)
h
h
Kcb
h
Kcal
h  467.354,2  712 Kgv
Vapor =
Kcal
657
h
Entalpía
Kgv
Potencia
Rendimiento en Vapor =
Vapor calculado
712
*100 
*100  79,1 %
Vapor nominal
900
20