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B O L E T I N D E L A S O C I E D A D E S P A O L A D E

A R T I C U L O

Cermica y Vidrio

Materiales y estructuras cermicas para

el diseo de quemadores de gas

R. MARIN

Ikerlan Energa, Centro de Investigaciones Tecnolgicas, Juan de la Cierva 1,Parque Tecnolgico de lava, Miano Menor, lava, Espaa.

Los materiales cermicos han sido utilizados en la fabricacin de quemadores radiantes desde largo tiempo atrs. Ello se debe

a que las propiedades de los materiales cermicos resultan muy adecuadas para el desarrollo de quemadores:- Elevado punto de fusin, adecuado para soportar las elevadas temperaturas de la llama.- Elevada resistencia a la oxidacin, que confiere a los quemadores larga vida sin degradacin.- Muy bajo coeficiente de expansin trmica, que reduce las tensiones termomecnicas.- Muy baja conductividad trmica, con fuertes gradientes de temperatura a travs del quemador que evitan el retroceso dellama.- Elevada eficiencia radiante, que reduce la temperatura de los humos y minimiza la produccin de NOx.- Facilidad de conformado en diferentes estructuras: esponjas, placas con orificios, empaquetaduras de fibras, etc., cada unaadecuada para un tipo de quemador.Todo ello ha provocado una gran expansin de los materiales cermicos para el diseo de quemadores de gas en los sectoresdomstico, comercial e industrial de baja potencia. Desde los quemadores radiantes de superficie hasta los quemadorespara hidrgeno, pasando por los quemadores volumtricos porosos, el abanico de posibilidades es inmenso. Solo hay queencontrar la combinacin material-estructura adecuada.

Palabras clave:gas, quemadores cermicos radiantes porosos.

Ceramic materials and structures applicable in gas burners design.

Ceramic materials have been extensively used in the production of radiant gas burners since decades. The properties of thesematerials are well adapted for the development of burners:- High melting temperature, adequate for the high flame temperatures.- Good oxidation resistance, producing a long burner lifetime.- Extremely low thermal expansion coefficient, thus reducing thermo-mechanic stress.- Very low thermal conductivity, with strong temperature gradients through the burner head, thus avoiding flame flash-back.- High radiant efficiency, lowering the fumes temperature and NOx production.- Variety of burner shapes and structures: foams, holed plaques, fibres, etc. allowing to produce different burner types.As a consequence, a strong expansion of the ceramic materials application in the development of gas burners for thedomestic, catering, and industrial sectors, has been experienced. From the surface radiant burners to the burners forhydrogen or the porous radiant burners, there is a wide range of possibilities for the design of ceramic gas burners. There is

a sole requirement: to find out the proper combination material-structure.

Keywords: gas, ceramic, porous radiant burners.

1. INTRODUCCIN

Los materiales cermicos han sido utilizados en lafabricacin de quemadores desde largo tiempo atrs. En lamemoria de todos estn las estufas de butano o los asadores depollos, equipados ambos con placas cermicas con orificios.

El elevado punto de fusin que estos materiales presentan,unido a su baja conductividad trmica, muy bajo coeficientede expansin trmica y muy elevada resistencia a la oxidacin,les hacen candidatos idneos para esta aplicacin (1). Adems,estos materiales presentan una gran flexibilidad en cuantoa su conformado, con muy variadas estructuras: esponjas,

placas con orificios, empaquetaduras de fibras, etc., cada unade las cuales adecuada para un tipo especfico de quemadoro aplicacin.

Finalmente, los quemadores fabricados con materialescermicos presentan una muy elevada eficiencia radiante,junto con un espectro de emisin radiante muy ajustado alespectro de absorcin del agua, lo que hace a los quemadorescermicos muy adecuados para procesos de secado, curado,tratamiento trmico, etc.

Esto ha provocado una gran expansin en la utilizacin

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de los materiales cermicos para el diseo de quemadores degas en los sectores domstico, comercial, e industrial de bajapotencia.

2. EL QUEMADOR DE GASEl quemador es el componente fundamental de cualquier

aplicacin de gas. Su misin es conseguir la combustincompleta y limpia de la mezcla aire-gas, generando una llamaestable y homognea, y adecuando la emisin del calor alproducto a calentar. Para ello, el quemador debe cumplir lossiguientes requerimientos:

Distribucin uniforme de la llama (y altura uniforme)con reparto homogneo y eficiente del calor al elemento acalentar (intercambiador de agua, utensilio de cocinado, etc.)

Combustin completa del gas, con emisionescontaminantes mnimas y, siempre, cumpliendo la normativavigente.

Estabilidad de la llama, sin desprendimiento ni retrocesode la misma en todo el rango de potencias del quemador.

Larga vida del quemador (de 12 a 15 aos), similara la esperable para la aplicacin en que va instalado, y sindegradacin apreciable a lo largo de su vida til.

ltimamente ha aumentado significativamente lapreocupacin por la reduccin de emisiones de NOx. Por ello,resulta deseable el desarrollo de quemadores que presentenuna baja tasa de emisin de este contaminante.

2.1. Tipos de quemadores

Los quemadores se pueden distribuir de diferentes manerassegn el aspecto analizado:

Segn la forma de la transmisin del calor a la carga sedistinguen quemadores de llama azul (transmisin de calorpor conveccin) y quemadores radiantes (transmisin de calorlo ms radiante posible).

Segn como consiguen la mezcla aire-gas se diferencianlos quemadores de mezcla parcial (con aire primario mezcladocon el gas aguas-arriba del quemador y aire secundarioaspirado en la llama) y quemadores de premezcla (con todo elaire mezclado con el gas antes de alcanzar al quemador).

Segn la generacin del tiro que asegura la entrada delaire en el quemador se distinguen los quemadores atmosfricos(con entrada del aire por tiro natural) y quemadores asistidoscon ventilador (con tiro aspirado o forzado).

Aunque los tradicionales asadores de pollos, y algunoscalentadores radiantes a gas para el calentamiento de locales,siguen estando equipados con quemadores cermicosatmosfricos radiantes y de mezcla parcial, la mayora delas aplicaciones (calderas, calentadores de agua, sistemasde secado, aplicaciones de catering, etc.) van equipadascon quemadores de premezcla, preferiblemente de tiroforzado, y con una forma de transmisin de calor que vadesde el calentamiento radiante, a bajas potencias, hasta elcalentamiento por conveccin en alta potencia.

Frente a los quemadores de mezcla parcial, estos quemadoresde premezcla (2) presentan las ventajas siguientes:

Menor exceso de aire necesario y mejor control delmismo, lo que se traduce en una mayor eficiencia trmica,y menores emisiones contaminantes y de gases de efectoinvernadero.

Admiten una mayor potencia especfica (W/mm2 dequemador), lo que se traduce en quemadores ms compactos

y de menor tamao para igual potencia trmica. Producen una llama ms viva y corta: Esta caracterstica,

junto con su mayor potencia especfica, permite reducir lasdimensiones de la cmara de combustin y disear., con ello,aplicaciones ms compactas.

Permiten el envo de los humos de combustin agran distancia, a travs de conductos de pequeo dimetro.Tambin permiten el desarrollo de aplicaciones estancas, conla recogida del aire exterior y la descarga de los humos a travsde sendos tubos concntricos y sin interferir en absoluto con elaire de la vivienda o local en que se ubica la aplicacin.

Por ello, el presente trabajo se centra en este tipo dequemadores: quemadores de premezcla, de tiro forzado, ytrabajando, en gran medida, en forma radiante.

3. ESPECTRO DE EMISIN RADIANTETodo cuerpo que se encuentre a temperatura superior al

cero absoluto emite radiacin. El espectro electromagnticocompleto (Figura 1) cubre, por ello, desde las ondas largasde cuerpos a baja temperatura a las radiaciones gammade onda corta. Del espectro electromagntico, solo unaporcin comprendida entre las longitudes de onda de 10-3my 10-7m, correspondientes a la radiacin infrarroja, visible yultravioleta cercana, son las consideradas en el calentamientoradiante mediante quemadores a gas

Fig. 1- Espectro electromagntico completo, en el que se muestra elrango de longitudes de onda, el tamao de las ondas y su frecuen-cia, as como las diferentes fuentes de radiacin que las producen. Semuestra tambin el rango de longitudes de onda que cubren los que-madores radiantes.

TABLA I. INTENSIDAD RADIANTE RELATIVA EN FUNCIN DE LA TEMPERATURADEL FOCO EMISOR

Por otro lado, es conocida la relacin entre la longitud deonda radiante y la intensidad de la radiacin. Segn la ley deStefan-Boltzman (E = T4), todos los objetos calientes emitenun espectro de radiacin caracterstico, siendo la intensidadde la radiacin proporcional a la cuarta potencia de latemperatura absoluta del emisor.

Esto es, existe una relacin directa entre la temperatura delfoco emisor y la intensidad radiante del mismo (Tabla 1). Deello se deduce la gran importancia de adecuar la temperaturade la superficie del quemador a la intensidad radiante que sepretende conseguir.

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y/o explosin, por lo que puede utilizarse en atmsferasinflamables como disolventes, pinturas, etc.

Atendiendo a este aspecto, la intensidad de la energaradiada, se distinguen tres tipos de quemadores (Figura 2):

1. Quemadores catalticos.2. Quemadores radiantes de superficie.3. Quemadores volumtricos porosos.

Fig. 2- Diferentes quemadores radiantes: cataltico, quemador radiantede superficie y quemador volumtrico poroso, y temperatura mediade foco que producen cada uno de ellos.

En los siguientes apartados se muestran las caractersticasque diferencian de cada uno de ellos.

4. QUEMADORES CATALTICOS

Un catalizador es una sustancia que acelera un procesoqumico (en este caso la oxidacin completa del gas) sin serconsumido durante el mismo y sin modificar el equilibriotermodinmico de la reaccin. La combustin cataltica resulta,por ello, una completa, limpia y eficiente conversin del gasen calor radiado y humos. Un quemador cataltico (3) secompone de tres partes:

1- Soporte: Aporta al quemador elevada resistenciamecnica y trmica, gran relacin superficie-volumen y baja

prdida de carga. Corderita o Perovskitas son materialeshabitualmente utilizados en su construccin y su estructurahabitual es una esponja de poro abierto.

2- Recubrimiento: es el material que recubre el soporte. Sufuncin es incrementar el rea efectiva de catlisis y minimizarla reaccin del material activo con el soporte. El material msutilizado es Almina con aditivos, aunque estn apareciendootros como ZrO2, MgO o SiC que permiten alcanzar mayorestemperaturas de foco.

3- Material activo: Es el catalizador en s. Los metalesnobles como Pt o Pd presentan ms alta actividad para laoxidacin a bajas temperaturas pero, a temperaturas elevadas,se volatilizan. Algunos xidos de metales de transicin comoFe2O3, Co3O4, son buenos catalizadores de oxidacin, al igual

que los xidos mixtos tipo Perovskita.Los quemadores catalticos (Figura 3) son quemadores de

baja temperatura. Sus principales caractersticas son: Potencia especfica baja: entre 20 y 50 kW/m2. Poca capacidad de modulacin de la potencia trmica

entregada, y trabajando habitualmente con control todo-nada Temperatura del foco radiante baja: entre 500 y 600 C. Eficiencia radiante muy elevada, con ms del 85% de la

energa en forma radiada. Radiacin muy uniforme y de onda larga. Espectro emisor muy ajustado al espectro de absorcin

del agua. Precisa de un precalentamiento elctrico inicial que

favorezca las reacciones de catlisis. Son, por ello, quemadoresde respuesta lenta. No produce llama visible. Presenta una ausencia absoluta de riesgo de encendido

Fig. 3- Quemador cataltico Boostercat , de Infragas, desarrolladopara secado y curado.

Por todo ello, los quemadores catalticos son muyadecuados para procesos industriales de curado y secado, ytambin para calefaccin (estufas catalticas). En todas estasaplicaciones, la baja densidad de potencia y la eficienciaradiante elevada representan una gran ventaja.

5. QUEMADORES RADIANTES DE SUPERFICIE

Son, con mucho, los quemadores ms utilizados y en losque puede encontrarse una mayor profusin de materialesy estructuras disponibles en el mercado. Son quemadores detemperatura media de foco, alrededor de los 1000 C, segnel material del quemador.

A diferencia de los anteriores, los quemadores radiantesde superficie estn compuestos por un nico componente.La llama se estabiliza sobre la cara caliente del quemador,a unos pocos milmetros de la superficie (con apariencia dellama azul) o penetra ligeramente en ste (con aparienciainfrarroja), en funcin del balance entre la velocidad de lacombustin y la velocidad de salida de la mezcla aire-gas del

quemador.En situaciones extremas puede producirse el desprendi-miento de la llama (la llama se despega del quemador) o elretroceso de la misma (la llama se mete bien dentro del que-mador). En el primer caso la tasa de CO se dispara si la llamaalcanza zonas fras de la cmara de combustin, como el inter-cambiador humos-agua. En el segundo caso se produce undeterioro irreversible del quemador y, en el peor de los casos,la deflagracin de la mezcla aire-gas situada aguas-arriba delmismo.

Las principales caractersticas de estos quemadores son: Un rango muy amplio de potencias especficas, segn los

materiales utilizados: entre 100 y 2000 kW/m2. Amplio rango de modulacin de potencia, de hasta 10 a

1, lo que favorece su utilizacin en calderas de condensacin. Temperatura mxima de foco elevada cuando trabaja en

modo radiante: entre 950C y 1100 C, segn el material y laestructura del quemador.

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MATERIALES Y ESTRUCTURAS CERMICAS PARA EL DISEO DE QUEMADORES DE GAS

Eficiencia radiante media: 25-30%, segn el material y laestructura del quemador.

Con llama visible. Bajas emisiones: CO y NOx inferiores a 100 mg/kWh. Respuesta rpida al encendido.

Muy apta para secado, conformado y tratamientosuperficial, as como para aplicaciones domsticas (calderasy calentadores de agua) y de catering (hornos, salamandras,gratinadoras, etc.).

Los materiales y estructuras cermicas ms habitualmenteutilizadas en el diseo de estos quemadores se muestran enlos apartados siguientes.

5.1. Placas cermicas con orificios

Son placas cermicas slidas con una matriz de pequeosagujeros, de 1.2 a 1.6 mm de dimetro (4), que las atraviesany por donde pasa la mezcla aire-gas (Figura 4). Cordierita,Mullita y Carburo de Silicio son materiales habitualmente

utilizados en la fabricacin de estas placas. Para reducir elpeso de material y la conductividad trmica de la placa, estasplacas se construyen con una elevada porosidad, del ordendel 60 %. De este modo, se consigue un elevado gradiente detemperaturas a travs de la placa que previene el retroceso dela llama.

Las placas cermicas presentan una prdida de cargaextremadamente baja, por lo que su capacidad de equilibradode la llama es tambin muy baja. As, cuando el quemadortrabaja en llama azul es muy inestable, con tendencia a escapede llama y a presentar llamas muy poco homogneas, por lo

que las placas cermicas se utilizan fundamentalmente parafabricar quemadores que trabajan en modo radiante.Como ventajas fundamentales de estas placas cabe citarse

su baja tendencia a retroceso de llama y su muy bajocosto. Como contrapartida, estos quemadores presentanel inconveniente de la necesidad de prever sistemas deequilibrado del quemador, amn de su fragilidad frente alas diferentes dilataciones del quemador y del alojamientodel mismo. Por ello, se hace necesario prever la expansindel quemador en su alojamiento. Fabricantes conocidos sonSchwank (Alemania), Saint Gobain (USA), Bray (Reino Unido)y Rauscher (Espaa).

5.2. Quemadores de espuma cermica

A diferencia de los anteriores, estos quemadores trabajanperfectamente en modo llama azul y en modo radiante,en este ltimo caso, con la llama ardiendo muy cerca dela superficie del quemador que se calienta al rojo (5). Estopermite amplsimas relaciones de potencia, muy tiles en eldesarrollo de equipos de condensacin.

En este caso, no existen orificios de llama definidos, sinoque la mezcla aire-gas pasa por los poros del material (figura5). El material base de la espuma es Cordierita o Mullita.

Fig. 4- Quemador radiante de placa cermica con orificios, mostran-do la cara caliente almenada, y apariencia del mismo trabajando enmodo llama azul y en modo radiante.

La eficiencia radiante de estos quemadores ronda el 18-20%. Se utilizan tres formas de aumentar esta eficiencia:

1. Colocar una malla metlica a unos pocos milmetrossobre la superficie de la placa y paralela a ella. Esta malla, quese calienta al rojo, refleja el calor hacia la superficie de la placaaumentando su temperatura. Aunque se alcanzan eficienciasradiantes del 36 % es un mtodo en desuso por el rpidodeterioro de la malla.

2. Un segundo mtodo es utilizar placas con relievedesigual, con los agujeros de paso de gas colocados en losvalles. Las paredes inclinadas de los valles se calientan,produciendo el mismo efecto que la malla. Se alcanzaneficiencias radiantes de hasta el 40 %.

3. El tercer mtodo consiste en el recubrimiento de lasplacas con xidos metlicos o sales. Es menos efectivo que losanteriores y poco utilizado.

La eficiencia radiante depende del exceso de aire en lacombustin y de la potencia especfica del quemador, con suvalor mximo obtenido para potencias especficas de entre 300y 500 kW/m2.

Fig. 5- Quemador radiante de espuma cermica y apariencia del mis-mo trabajando en modo llama azul y en modo radiante

La prdida de carga producida por estos quemadores esmuy importante, lo que se traduce en una gran capacidad deequilibrado de la llama y, como contrapartida, en la necesidadde utilizar ventiladores ms potentes.

Para obtener una buena eficiencia radiante conviene que

la llama se acerque lo ms posible a la superficie de salida delquemador y que la relacin aire-gas de combustin sea prximaa la estequiomtrica (6). En la prctica, se utilizan excesosde aire de entre el 10 y 20 % para asegurar la combustincompleta del gas frente a variaciones en el suministro degas o aire. Otro modo de incrementar la eficiencia radiantede estos quemadores suele ser el recubrimiento de la caracaliente con una pintura de SiC. El fabricante ms conocido esEcoCeramics (Holanda).

5.3. Quemadores de fibra cermica

Estn constituidos por un conglomerado de fibras de SiC,de pequeo espesor (unos 3-5 mm) muy ligero, mecnicamente

estable y ligeramente flexible, a travs del que pasa la mezclaaire-gas (7). El quemador presenta aspecto de fibras cermicasempaquetadas. Como la espuma cermica, este material es






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autoportante, no requiriendo sistema de sujecin alguno. Encontrapartida, su baja flexibilidad slo permite conformarquemadores planos.

Existe una versin con orificios discretos (Figura 6) y otraslida, sin orificios definidos. La primera de ellas va dirigida

a quemadores de alta potencia (calderas y calentadores); lasegunda est ms orientada hacia el calentamiento radiante,con baja potencia especfica.

Fig. 7- Quemador poroso radiante.

La transmisin del calor desde el interior del materialhacia su periferia se lleva a cabo por la accin combinada dela radiacin, conveccin y la conduccin a travs del medioslido.

Un quemador poroso (Figura 7) est compuesto por dos

capas muy diferenciadas: estructura porosa y placa base. Laestructura porosa puede presentar diversas formas: espumas,mezcladores, etc, y utilizar diversos materiales (10), aunque losms utilizados son: SiC, Al2O3y ZrO2(Figura 8). Debe soportarelevadsimas temperaturas, tensiones termomecnicas y fatigatrmica.

Fig. 8- Estructuras porosas de ZrO2(izda), Al

2O

3(centro) y SiC (dcha).

Fig. 6- Quemador radiante de fibra cermica con orificios (izda), es-pecial para quemadores de alta densidad de potencia, y sin orificios(dcha), especial para quemadores de baja densidad de potencia, traba-jando ambas en modo radiante.

El muy bajo coeficiente de expansin trmica de estematerial reduce enormemente las posibilidades de deformacindel quemador o la aparicin de tensiones termomecnicas. Porlo dems, su rango de operacin alcanza los 2500 kW/m 2con excesos de aire de entre el 10 y 40 %. El fabricante msconocido es Orkli (Espaa).

6. QUEMADORES POROSOS RADIANTES

Son quemadores de muy alta temperatura y muy elevadaeficiencia radiante (8), muy especiales y poco utilizados enaplicaciones domsticas.

A diferencia de los procesos de combustin convencionalde premezcla, la tecnologa de quemadores porosos no operacon llamas libres (Figura 7). Por el contrario, la combustintiene lugar en cavidades distribuidas tridimensionalmenteen un medio poroso inerte (9), presentando una aparienciapuramente radiante, totalmente diferente de la llama dequemadores superficiales.

En cuanto a la placa base, sta debe soportar enormesgradientes de temperatura, desde casi 1400 C en su caracaliente (la que est en contacto con la espuma) a casitemperatura ambiente en su cara fra (por donde entra lamezcla aire-gas). En consecuencia, esta placa debe ser deporo muy pequeo (11) para evitar la tendencia al retrocesode la llama y soportar bien las tensiones termomecnicasproducidas por la diferente dilatacin de sus caras superior einferior. El material habitualmente utilizado es SiO2y Al2O3.

Las principales caractersticas de estos quemadores son:

Potencia especfica elevada: 200 - 2000 kW/m2. Muy amplio rango de modulacin de potencia: superior a 10 a 1. Temperatura mxima de foco radiante > 1400 C. Eficiencia radiante alta: entre 35 y 60%, segn la carga especfica del quemador. Radiacin muy uniforme y de onda media-corta. Sin llama visible (apariencia totalmente infrarroja). Muy bajas emisiones (CO y NOx inferiores a 35 mg/kWh) Respuesta rpida. Muy apta para procesos de alta temperatura,

conformado y tratamiento superficial.

La eficiencia radiante de este tipo de quemadores esalrededor de un 30% mayor que en los quemadores radiantesde superficie (12). Por ello, a pesar de su elevado costo, estetipo de quemadores tiene su campo de aplicacin dondese precise elevada eficiencia radiante, elevada temperaturadel foco emisor, elevada densidad de potencia, radiacinmuy uniforme, bajo coste de operacin y bajo coste demantenimiento. Este es el caso de un calentador a gas paralavavajillas industrial desarrollado en Ikerlan (Figura 9).

Ente los fabricantes de este tipo de quemadores destacanPromeos y GoGas (GE). Por su lado, el consorcio formado

por el Instituto de Cermica y Vidrio-CSIC, Ikerlan y Prosiderha desarrollado y est patentando (13) un nuevo modelo dequemador poroso radiante (Figura 10).

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Por otro lado, la velocidad de combustin del hidrgeno(Tabla III) es incomparablemente mayor que la de cualquierade los gases combustibles habituales. Por ello, la llama queproduce presenta una enorme tendencia hacia el retroceso, esdecir hacia la penetracin de la misma en el quemador.

Fig. 10- Quemador poroso radiante desarrollado por el consorcio ICV-Prosider-Ikerlan.

7. QUEMADORES PARA HIDRGENOLos quemadores analizados hasta ahora estn diseados

para trabajar con gases de la segunda familia (gas natural) ola tercera (propano y butano). En ambos casos, la combustinms limpia del gas provoca emisiones de CO2. Por el contrario,el hidrgeno es el gas combustible perfecto. Su combustin,segn la reaccin O2+ 2H2 2H2O, es absolutamente limpia,sin producir CO ni CO2. Esto le hace particularmente atractivocuando se trata de reducir emisiones de gases contaminantesy de gases de efecto invernadero.

Esto est favoreciendo, en un proceso que se ir acentuandocon el paso del tiempo, la progresiva hidrogenacin de la reddel gas natural, en proporciones que se prevn llegarn aalcanzar el 25 %, en volumen de H2en la mezcla H2- CH4.Por ello, cuando hablamos de quemadores para hidrgeno, enrealidad estamos considerando quemadores adecuados paraestas futuras mezcla hidrogenadas.

Quemar hidrgeno o mezclas gaseosas altamentehidrogenadas presenta serios problemas, no resueltos en laactualidad salvo en la industria aeroespacial, con combustoresde tecnologa muy sofisticada y cara. En efecto, adems deser un gas incoloro e inodoro, y por ello difcil de detectar, elhidrgeno es el combustible menos denso que existe (quinceveces ms ligero que el aire), con una conductividad trmicacinco veces superior al metano (constituyente fundamentaldel gas natural) y con una viscosidad ocho veces superior

a ste (Tabla II). Adems, para su combustin completa, elaire requerido es la cuarta parte del requerido por el metano.Esta combinacin de factores hace del hidrgeno un gascombustible muy especial.

Fig. 9- Calentador a gas para lavavajillas industrial con quemador po-roso radiante desarrollado en Ikerlan.

TABLA II. PROPIEDADES FISICO-QUMICAS DE LOS GASES COMBUSTIBLESHABITUALES.

TABLA III. VELOCIDADES MXIMAS DE COMBUSTIN PARA LOS COMBUSTIBLESHABITUALES.

Para evitar este fenmeno indeseable es necesario encontrar

una combinacin adecuada de material y estructura, quefavorezca la congelacin de la llama en caso de penetracinen el quemador, junto con un diseo adecuado del mismo.Dicho diseo se basar, necesariamente en una combinacinmaterial-estructura con muy baja conductividad trmica,pasos de gas de muy pequeo dimetro y gran prdida decarga. La nica estructura que rene estas condiciones es laespuma cermica de poro pequeo.

En el laboratorio de combustin de Ikerlan se han ensayadodos combinaciones material-estructura, potencialmenteadecuadas para la combustin de mezclas hidrogenadas conmezclas de hasta el 50% de H2en la mezcla H2- CH4:

Una espuma cermica de Alzeta Corp (USA) no

comercializada en la actualidad. Un sinterizado cermico de Ecoceramics (NE), utilizadoen la fabricacin de filtros para la industria farmacutica.

7.1. Espuma cermica

Se trata de una espuma de Cordierita utilizada en elpasado en el conformado de quemadores industriales y que,en la actualidad, ha dejado de fabricarse (Figura 11, izda).Se fabricaba con distintas porosidades, 20, 30 y 40 poros porpulgada (PPI). Esta espuma cermica, con 15 mm de espesor,presenta una suficiente resistencia mecnica. Para incrementarla eficiencia radiante, y para aumentar la resistencia superficiala la corrosin, su cara superior va recubierta de una pintura

de SiC.Para fabricar quemadores para mezclas hidrogenadas, en

Ikerlan se seleccion la espuma ms tupida, 40 PPI, por ser laque mejor debiera comportarse ante el retroceso de la llama.

MATERIALES Y ESTRUCTURAS CERMICAS PARA EL DISEO DE QUEMADORES DE GAS






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En ensayos de combustin con gas G27 (82%CH4 18%N2) +45 % H2 se observ el retroceso de la llama (Figura 11, dcha).Al entrar la llama en el quemador las temperaturas que sealcanzaron fueron tales que llegaron a fundir el materialcermico.

de operacin no es esperable una degradacin apreciable delquemador que limitase su vida til.

4. CONCLUSIONES

Los materiales cermicos han sido, son y sernprofusamente utilizados en el desarrollo de quemadorescermicos para gas. Son muchas las ventajas que aportan enesta aplicacin e innumerables las combinaciones de materialy estructura (espumas, esponjas, fibras, sinterizados, etc.)que permiten el desarrollo de muy diferentes quemadores(radiantes, para hidrgeno, etc.). Es responsabilidad deldiseador el seleccionar la combinacin ms adecuada paracada aplicacin concreta.

AGRADECIMIENTOS

La investigacin llevada a cabo en el campo de losquemadores cermicos y, en concreto, de los quemadoresporosos radiantes y de los quemadores para hidrgeno hacontado con la colaboracin del Ministerio de Educacin yCiencia a travs de sendos proyectos asignados al Consorcioformado por ICV (CSIC), Ikerlan y Prosider, Petri RADIPOR,PTR1995-0756-OP, y Petri, HIDROBUR, 95-0981.OP.01.

BIBLIOGRAFA

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Recibido: 06.05.08Aceptado: 19.05.08

Fig. 11- Espuma cermica de Alzeta montada en el banco de ensayosde Ikerlan.

7.2. Sinterizado cermico

Se trata de un quemador con forma de placa plana de20 mm de espesor y conformado mediante un sinterizadode polvos cermicos de Carburo de Silicio (Figura 12). Estematerial se utiliza, tambin, en la fabricacin de filtros paraprocesos de alta temperatura en la industria farmacutica.

Fig. 12- Espuma cermica de EcoCeramics (izda) y quemador en ope-racin (dcha).

Este material se fabrica con dos nicas porosidades:60 PPI y 90 PPI. El material ms tupido sera el candidatoobvio de cara a evitar el flash-back. Sin embargo, la elevadaresistencia al paso del fluido por sus poros provocara unaperdida de carga que limitara de forma notable la potenciaespecfica del futuro quemador. Esto aconsej la eleccin dela espuma de menor porosidad como un mejor compromisoentre buena resistencia a flash-back y moderadas prdidasde carga. De hecho, en ensayos previos sobre este materialse midieron 75 Pa para densidades de potencia de 1000 kW/m2, resistencia muy aceptable para ventiladores soplantes decorriente continua, habituales en quemadores de premezcla(producen hasta 20 mbar).

Como en el caso anterior, la espuma cermica tiene 15 mmde espesor, presentando una suficiente resistencia mecnica.

En condiciones de baja potencia especfica y bajaaireacin, el quemador trabaja en modo radiante, con lallama perfectamente pegada a la superficie del mismo. Estascondiciones son las ms propensas a producir el retrocesode la llama. Sin embargo, la adicin de H

2a la mezcla CH4-H2 no produjo el retroceso de la llama en ninguna de lascondiciones ensayadas, ni siquiera en concentraciones del 50%

de H2en la mezcla combustible. La apariencia del quemadorfue tendiendo cada vez ms al rojo, indicando una pequeapenetracin de la llama en interior del quemador, pero sinvestigio alguno de retroceso significativo. En esas condiciones

R. MARIN



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