Cantidad de aire para la combustión de gas natural: fórmulas y ejemplos de cálculos

De la calidad del proceso de combustión depende la eficiencia de todo tipo de equipos de gas. Lo que influye directamente en la cantidad de aire para la combustión de gas natural, calcular lo cual no es nada complicado. ¿Por qué no preocuparse por la eficiencia del consumo de combustible y el aumento del rendimiento del equipo, realizando los cálculos necesarios por sí mismo? ¿Verdad?

Pero, ¿cómo hacerlo correctamente y de dónde obtener los datos para los cálculos? Para entender este tema, revisemos en el marco de nuestro artículo la teoría del consumo de aire para la combustión de gas, conozcamos las fórmulas más simples para calcular el volumen de aire necesario. También hablemos de la utilidad práctica de estos cálculos.

Teoría del consumo de aire para la combustión de gas

El procedimiento para obtener energía térmica afecta directamente la duración de la operación y la frecuencia de los trabajos de mantenimiento del equipo que utiliza gas. Debe entenderse que la mezcla óptima de gas y aire es la clave de la seguridad. Hablemos con más detalle sobre el consumo de aire para la combustión del gas.

Para la combustión de una molécula de metano, que es el componente principal del gas natural, se requieren exactamente 2 moléculas de oxígeno. Si lo traducimos a volúmenes comprensibles, para oxidar un metro cúbico de dicho combustible habrá que utilizar 2 veces más oxígeno.

Pero en condiciones reales es más complejo. Dado que como oxidante para llevar a cabo el proceso químico-físico de combustión se utiliza aire, en su composición el oxígeno necesario para mantener la combustión solo constituye una quinta parte. Y, con precisión, el 20,93% — ese es el porcentaje que se suele utilizar para todo tipo de cálculos técnicos. Es decir, se necesitará 9,52 veces más aire.

En cualquier cálculo técnico de la cantidad de gas se toma como base el 100% de este combustible. Aunque su sustancia principal — el metano (CH4) puede constituir no más del 75% de la composición.

Se podrá conocer la cifra indicada realizando 2 pasos:

1. División 100/21. Esta operación permite determinar que el aire en cualquier volumen es 4,76 veces mayor que el oxígeno.
2. Multiplicación de 4,76 por 2, que es igual a 9,52 — es exactamente cuántas veces más se necesitará consumir aire para la combustión de cualquier volumen de gas natural.

Pero hay una importante salvedad: la cantidad de aire calculada necesaria para la combustión eficiente del gas es el consumo teórico. En la práctica se necesitará más. La razón es que el cálculo se realizó para condiciones ideales, mientras que en la realidad casi siempre existen una serie de factores que introducen correcciones significativas.

Entre ellas se incluyen:

• composición y calidad de los reactivos (aire, gas);
• tipo de equipo utilizado para la conducción del portador de energía;
• estado del equipo;
• método de suministro de gas y aire, así como otros aspectos.

Si se necesita una precisión especial, a veces es posible tener en cuenta las características mencionadas anteriormente. Por ejemplo, la composición exacta del gas se puede averiguar en la oficina más cercana del servicio de gas. Pero cuando no se necesita una precisión especial, el valor obtenido de 9,52 simplemente se multiplica por el llamado coeficiente de exceso de aire, cuyo valor suele estar en el rango de 1,1 a 1,4.

El oxígeno es el oxidante del gas. Es decir, él mismo no se quema, pero apoya activamente este proceso con la participación de dicho combustible. Pero como el oxígeno en la composición del aire no supera el 20,93%, se considera que para el procedimiento de combustión del gas se necesita casi 5 veces más.

Cuando el cálculo debe ser lo más preciso posible, entonces se debe dividir la cantidad de aire realmente utilizado por su consumo teórico. Pero en la mayoría de los casos es más sencillo usar el valor promedio del coeficiente de exceso de aire, cuyo valor se debe multiplicar por 9,52 y como resultado se obtendrá la cantidad exacta de aire consumido necesario para garantizar el procedimiento de combustión del gas.

Así, si es igual a:

• 1,1 — se necesitará 10,472 veces más masa de aire;
• 1,4 — se necesitará utilizar 13,328 veces más aire.

Es decir, para la combustión de cada metro cúbico de portador de energía se necesitarán hasta 13,328 m³ de aire.

Fórmulas y ejemplos de realización del cálculo

El valor necesario en cada caso concreto se puede obtener utilizando una fórmula especial o indicadores promedio. Hablemos de estos métodos con más detalle.

Método #1 — cálculo utilizando la fórmula

La cual establece que el volumen horario de aire (V_h) necesario para la combustión será igual a:

V_h = 1,1 x K_izb.v x V_tx V_g/hx (273 + t)/273,

Donde:

• K_izb.v — coeficiente de exceso de aire;
• V_t — cantidad de aire teóricamente necesaria;
• V_g/h — consumo horario de gas del equipo;
• t — valor de la temperatura en la sala donde se encuentra el equipo de gas.

El consumo horario de gas necesario para los cálculos se indica en la ficha técnica de cualquier aparato de gas.

Es decir, si dicho valor equivale a 10, y:

• la temperatura en el local, por ejemplo, 18 °C;
• el coeficiente de exceso de aire — 1,1.

Entonces realizamos las operaciones matemáticas indicadas anteriormente, a saber:

1,1 × 1,1 × 9,52 × 10 × (273 + 18) / 273 = 122,1

Como resultado, se determina que en este caso concreto, para la combustión del gas, cada hora se necesitarán 122,1 m³ de aire.

El cálculo de la cantidad de aire es necesario para garantizar un funcionamiento eficiente y seguro de cualquier equipo de gas, incluyendo cocinas, calentadores y calderas de calefacción, que se utilizan en el hogar.

Método #2 — cálculo mediante datos promedio

Si no desea realizar este cálculo del aire para la combustión de la cantidad necesaria de gas, entonces puede seguir las recomendaciones de muchos fabricantes y especialistas.

Las cuales indican que el proceso será eficiente si por cada kilovatio de potencia se suministra al menos 1,6 m³ de aire por hora.

Si el método de cálculo usando la fórmula parece complicado, entonces se puede utilizar uno menos preciso y simplemente promedio, pero muy simple y por lo tanto accesible. Ya que todo lo que hay que hacer es multiplicar la potencia del equipo de gas necesario por 1,6, lo que permitirá obtener el volumen aproximado de aire que se deberá suministrar cada hora para la combustión completa del gas.

Es decir, se puede realizar el cálculo en una sola acción. Para ello, el valor de potencia del equipo de gas tomado de la ficha técnica se debe multiplicar por el 1,6 indicado. Como resultado se obtendrá la cantidad de aire necesaria para una combustión eficiente.

Por ejemplo, si la potencia de la caldera de gas es de 40 kW, entonces este valor se debe multiplicar por 1,6:

40 × 1,6 = 64

Se obtendrán 64 m³ de aire, que se deberán suministrar cada hora al equipo de gas.

Importancia práctica del cálculo del consumo de aire

Las habilidades para realizar dichos cálculos pueden ser necesarias para aumentar la eficiencia del equipo de gas, así como para eliminar las causas de su funcionamiento incorrecto.

Prevención de averías y reducción del rendimiento del equipo

Por ejemplo, el conocimiento de la cantidad óptima de oxidante será necesario cuando las superficies de los conductos de humos (internas), los elementos de la estructura del equipo (intercambiadores de calor, quemadores, otros) se cubren rápidamente con capas de hollín y otros productos de combustión.

Si la eliminación de las contaminaciones no da el efecto deseado, al igual que cualquier otra medida (ajuste, reemplazo de piezas, componentes de los agregados). Esto indica la presencia del llamado subquemado del portador de energía, que ocurre debido a una cantidad insuficiente de aire.

El proceso de combustión del gas se considera una reacción compleja. Por lo tanto, si el oxidante, es decir, el aire, no está presente en cantidad suficiente, esto afectará el estado, el funcionamiento y la integridad de todo el equipo de gas. Y en algunos casos, las fallas solo se podrán resolver después de identificar y ajustar la cantidad de aire que participa en la reacción.

Además, el conocimiento del caudal de aire necesario será requerido en las siguientes situaciones:

• Se ha detectado un consumo excesivo de gas que no se puede resolver con ajustes u otras manipulaciones. Ya que la causa puede ser una combustión defectuosa por exceso de aire. Es decir, un proceso en el que se suministra demasiado aire, lo que también provoca una combustión incompleta del gas.
• Se ha observado un cambio frecuente en el color del combustible «azul» durante la combustión — por ejemplo, a naranja, blanco, rojo, amarillo. Estos son casos más complejos que los anteriores, ya que la causa puede ser tanto un exceso de aire como una cantidad insuficiente del mismo.
• Proceso inestable de combustión del gas. Por ejemplo, si no se utilizan todos los orificios de trabajo del quemador, del quemador de la caldera de gas, etc. Y la limpieza de los elementos de construcción mencionados no ha llevado a una mejora, ya que en tales situaciones seguramente habrá que suministrar una cantidad de aire mucho mayor.

A pesar de la existencia de diversas causas, el cálculo se realiza de la misma manera, según el método descrito anteriormente.

Beneficio de los cálculos al acondicionar la sala de calderas

Los cálculos de la cantidad de aire necesaria para la oxidación eficiente del gas son necesarios en casos de construcción de una sala de calderas, instalación, reemplazo de equipo de gas y otros similares.

Siempre se debe recordar que los cálculos teóricos solo son buenos cuando su corrección está confirmada por la práctica. Y en el caso de la cantidad de aire, por representantes de las empresas de gas con analizadores de gas.

Y los cálculos se realizan, pero la situación en cada caso mencionado se complica por el hecho de que para obtener todos los datos necesarios se deben realizar una serie de cálculos adicionales.

Los cuales incluyen cálculos:

• del consumo total de aire: en el local con equipo de gas, es necesario suministrar aire no solo para el proceso de combustión, sino también para su ventilación (en SNiP II-35-76 se indica claramente que en los locales utilizados como salas de calderas, deben renovarse 3 volúmenes de aire cada hora);
• de la sección del conducto de extracción;
• de la sección (o secciones) de la abertura (o aberturas) de los canales de entrada;
• del tiro natural en el conducto de extracción previsto;
• de la velocidad real de las masas de aire en las secciones de los futuros conductos de aire;
• de las pérdidas de presión por todo tipo de resistencias locales;
• del tamaño de la ventana requerida en el local con equipo de gas.

Además de la correcta disposición de la ventilación de la sala de calderas, puede ser necesaria la realización de otros procedimientos, por ejemplo, la realización de un cálculo aerodinámico.

Al realizar el cálculo, se debe recordar que cualquier acción con gas representa un peligro significativo. Por lo tanto, es mejor confiar su ejecución a especialistas.

Después de lo cual, toda la información obtenida debe convertirse en la base del proyecto de reemplazo, instalación de equipos o reestructuración, que se presenta a la empresa de gas local para su aprobación. Allí, si se detectan errores, el documento puede ser devuelto al autor.

Es decir, el conjunto de procedimientos para calcular todos los valores necesarios es bastante complejo. Por lo tanto, en el caso de instalación, reemplazo o traslado del equipo, solo unos pocos pueden manejar la tarea. A la mayoría de los propietarios de locales les resultará más sencillo solicitar la ayuda de especialistas. Estos no solo realizarán las operaciones matemáticas necesarias, sino que también adaptarán los cálculos a los requisitos legislativos para la disposición de salas de calderas, sistemas de ventilación, extracción de humos y todos los demás. Dichos requisitos están establecidos en SNiP II-35-76, así como en SNiP 2.04.08-87 y otros documentos especializados menos utilizados.

Si en algún caso concreto no es necesario elaborar un proyecto, los cálculos realizados por un especialista eliminarán la amenaza para la vida y la salud del propietario del equipo de gas, sus seres queridos y las personas que viven cerca.

Además, permitirán evitar acciones que la ley considera como conexión no autorizada a cualquier gasoducto. Por las cuales el art. 7.19 del Código de Infracciones Administrativas de la Federación Rusa prevé sanciones en forma de multa, cuyo monto es de 100-150 €. Por ejemplo, esto puede ocurrir si el propietario del local, después de realizar los cálculos, realiza cambios en la estructura del sistema de calefacción.

No hay que olvidar que un cálculo fallido de la cantidad de aire o cualquier otro puede convertir a una persona en infractor. Por lo cual tendrá que pagar, al menos financieramente. Por ejemplo, si una acción u omisión conduce a la violación de las reglas destinadas a garantizar el uso seguro de cualquier equipo de gas, entonces como multa tendrá que desprenderse de una suma de dinero de 10-300 €. Lo que se establece en el art. 9.23 del KoAP RF.

Después de los cálculos, no se debe tomar una decisión apresurada sobre la sustitución del equipo de gas, especialmente si es de diferente potencia. Si eso ocurrió, entonces es conveniente notificar a los representantes del servicio de gas sobre las acciones realizadas. Esto ayudará a evitar multas.

Y tampoco es necesario implementar los cálculos teóricos realizados a costa de violar las reglas y normas establecidas en SNiP II-35-76, que regula el ámbito de acondicionamiento de locales destinados al uso de equipos de gas. Ya que según el art. 9.23 del KoAP RF, incluso por las infracciones más leves se deberá pagar de 10-20 €.

Conclusiones y video útil sobre el tema

El material de video adjunto a continuación permitirá identificar la falta de aire en la combustión del gas sin ningún cálculo, es decir, visualmente.

Calcular la cantidad de aire necesaria para la combustión eficiente de cualquier volumen de gas se puede hacer en cuestión de minutos. Y los propietarios de viviendas equipadas con equipos de gas deben recordarlo. Ya que en un momento crítico, cuando la caldera o cualquier otro aparato funcione incorrectamente, saber calcular la cantidad de aire necesaria para una combustión eficiente ayudará a identificar y solucionar la avería. Lo que, además, aumentará la seguridad.

¿Desea complementar el material expuesto anteriormente con datos útiles y recomendaciones? ¿O aún tiene preguntas sobre el cálculo? Hágalas en el bloque de comentarios, escriba sus observaciones, participe en la discusión.