El
calor de combustión y el ahorro de energía
Ovidio
Pérez Ruiz
Alfredo Villegas Sáez
Instituto
Superior Pedagógico
Carlos Manuel de Céspedes,
Isla de la Juventud.
El conocimiento del calor específico de combustión
de los combustibles permite asumir las formas y los métodos
más eficientes para su utilización.
|
|
 |
Los
fenómenos térmicos son aquellos que están relacionados
con la emisión y la absorción del calor. Estos fenómenos
pueden ser encontrados en cada actividad que el hombre realiza diariamente:
el calentamiento de la atmósfera por la radiación solar,
la climatización de los locales por medio del aire acondicionado,
la cocción de los alimentos y su refrigeración.
Una característica general de los fenómenos térmicos
es que existen cuerpos que ceden energía en forma de calor, y otros
que son capaces de absorber dicha energía. Con el objetivo de caracterizar
cuantitativamente la emisión o la absorción del calor, se
ha establecido el concepto cantidad de calor.
La cantidad de calor (Q) se define como la energía cedida
o absorbida por un cuerpo de masa (m), cuando su temperatura varía
en un número determinado de grados. La cantidad de calor (Q) está
relacionada directamente con la naturaleza de la sustancia que compone
el cuerpo. La dependencia de la cantidad de calor con la naturaleza de
la sustancia se caracteriza por una magnitud denominada calor específico
de la sustancia.
El calor específico de la sustancia se representa con la
letra C y se define como la cantidad de calor requerida por la unidad
de masa de una sustancia para variar su temperatura en 1 °C.
El calor específico (C) se expresa en unidades de energía
[joule (J), kilocaloría (kcal), caloría (cal),
etc.)] por unidades de masa [(gramo (g), kilogramo (kg),
libra (lb), etc.] y temperatura [grado centígrado (°C)].
La fórmula que permite determinar la cantidad de calor (Q) cedida
o absorbida por un cuerpo de masa (m) y calor específico (C), cuando
su temperatura inicial (ti) varía hasta la temperatura final (tf,),
se puede calcular mediante la fórmula: Q = C m (tf
- ti ).
En esta fórmula, el resultado numérico de la cantidad de
calor (Q) se expresa en unidades de energía: J, kcal o
cal. A partir de esta fórmula es posible apreciar que la cantidad
de calor (Q) es directamente proporcional a la masa (m) del cuerpo, su
calor específico (C) y a la diferencia de temperaturas: (tf
- ti).
Un cuerpo de masa (m) puede variar su temperatura inicial mediante un
fenómeno térmico si absorbe o cede cierta cantidad de calor
(Q). Al considerar que la energía no puede ser creada ni destruida
de acuerdo con la ley de conservación de la energía, entonces
la energía absorbida (o cedida) por un cuerpo debe, en principio,
ser cedida (o absorbida) por otro cuerpo. En estos procesos de emisión
y absorción de energía desempeña un papel muy importante
el proceso de combustión, ya que en un número considerable
de fenómenos térmicos se logra el desprendimiento de energía
de los cuerpos, mediante su combustión.
Durante la combustión de los cuerpos, el desprendimiento de calor
se realiza de forma diferente de acuerdo con las características
físicas y químicas del cuerpo en cuestión. Una magnitud
que permite caracterizar cuantitativamente el desprendimiento de calor
de los cuerpos durante la combustión, es el denominado calor
específico de combustión, que se representa con la letra
l.
Se define el calor específico de combustión (l) como la
cantidad de calor (Q) que cede la unidad de masa del cuerpo al quemarse
totalmente. El calor específico de combustión (l) se expresa
en unidades de energía (J) por unidades de masa (kg) y depende
del tipo de combustible. Iguales masas de combustibles diferentes, desprenden
diferentes cantidades de calor (Q) al quemarse totalmente. De otro modo,
masas diferentes del mismo combustible desprenden, también, diferentes
cantidades de calor (Q). La cantidad de calor (Q) desprendida por cierta
masa (m) de combustible, al quemarse totalmente, puede ser calculada mediante
la fórmula: Q = l m.
El
calor específico de combustión generalmente se relaciona
con los materiales considerados como combustibles tradicionales (petróleo,
carbón, alcohol, leña, etc.), pero también puede
ser asociado con los combustibles alternativos; por lo que es importante
conocer las potencialidades combustibles de diferentes materiales que
no se emplean con frecuencia en la combustión, mediante el conocimiento
de sus calores específicos de combustión.
Para poder apreciar con más claridad las potencialidades combustibles
de los materiales que se emplean en la combustión para lograr el
desprendimiento de energía térmica, resulta posible iniciar
el análisis con el conocimiento de los calores específicos
de combustión de dichos materiales (ver tabla).
Tabla
comparativa con los calores específicos de combustión
de diversos materiales que pueden ser empleados como combustibles
en procesos térmicos, donde sea necesario liberar energía
en forma de calor.
Material
combustible
|
Calor
especifico de combustión(MJ/kg)
|
Hidrógeno
Gas metano
Gasolina
Petróleo crudo
Queroseno
Carbón
bituminoso
Antracita
Coque
Alcohol etílico
Carbón vegetal
Alcohol metílico
Madera de pino
Cascarón de coco
Turba seca
Leña seca
Turba húmeda
Aserrín seco
Cáscara de arroz
Lignito
Bagazo
de caña seco
Leña verde
Planta
de maíz seca
Aserrín húmedo
|
142
55
47
47
46
36
35
34
30
30
22
21
20
20
18
16
15
15
13
9
9
9
8
|
Cuando se estudian los valores relativos a los calores específicos
de combustión de los combustibles, se pueden extraer algunas conclusiones
de relevante importancia para lograr mayor eficiencia en su empleo.
Resulta interesante apreciar cómo el calor de combustión
de la leña seca es el doble del correspondiente a la leña
verde. Este hecho nos conduce a concluir que si cierta masa (m) de leña
húmeda desprende una cantidad de calor (Q) al quemarse totalmente,
entonces, cuando quemamos una masa (m/2) de leña seca podemos obtener
la misma cantidad de calor. En otras palabras, al utilizar la leña
seca se ahorra la mitad de la madera que se quema. Esto nos indica que
durante la utilización de la madera como combustible siempre será
más conveniente emplear la leña seca, en consideración
a su calor de combustión. En los fogones que emplean leña
se puede incrementar la eficiencia de estos, mediante la sustitución
del empleo de la leña verde por leña seca.
Si por otro lado se comparan los valores del calor de combustión
del carbón vegetal y de la leña seca, se puede concluir
que el valor del primero es aproximadamente 1,7 veces mayor. De aquí
que la opción de utilizar el carbón vegetal en sustitución
de la leña no sea despreciable en términos de eficiencia.
Por otra parte, la combustión del carbón vegetal resulta
mucho menos contaminante que la combustión de la leña seca.
Estos datos demuestran que en lugar de continuar el empleo de la leña
en los fogones, sería recomendable incrementar la fabricación
del carbón, que es más eficiente por su potencia calorífica
y más ecológico como combustible.
Los calores de combustión de la cáscara del arroz y del
cascarón de coco muestran que estos residuos tienen propiedades
combustibles apreciables. Su combustión debe siempre estar vinculada
con procesos productivos, ya que su quema indiscriminada representa la
pérdida de grandes cantidades de energía. El calor desprendido
al quemar una tonelada de cáscara de arroz, es equivalente a la
combustión de 320 kg de petróleo crudo.
Entre los combustibles relacionados en la tabla se destaca el significativo
valor del calor de combustión del hidrógeno. Este gas tiene
propiedades muy importantes como portador energético y sus potencialidades
de obtención a partir de la reconversión de la energía
solar están dando resultados muy satisfactorios en la actualidad.
Otro gas, en este caso el metano, tiene también un valor de calor
de combustión considerable. El metano, que puede ser obtenido fácilmente
mediante la fermentación de la biomasa en los digestores y con
un bajo costo de producción, tiene una amplia utilización
práctica como combustible, tanto doméstico como en la industria.
Su alto poder de combustión indica que el incremento en su producción
debe ser un objetivo para garantizar una fuente estable de energía
a partir de los residuales de la biomasa.

|