Materiales Cerámicos Utilizados en la Fabricación de Quemadores de Gas Propano para Forjado de Acero

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- Materiales cerámicos en quemadores

Los materiales cerámicos han sido utilizados en la fabricación de quemadores desde largo tiempo atrás. En la memoria de todos están las estufas de butano o los asadores de pollos, equipados ambos con placas cerámicas con orificios. El elevado punto de fusión que estos materiales presentan, unido a su baja conductividad térmica, muy bajo coeficiente de expansión térmica y muy elevada resistencia a la oxidación, les hacen candidatos idóneos para esta aplicación (1). Además, estos materiales presentan una gran flexibilidad en cuanto a su conformado, con muy variadas estructuras: esponjas, placas con orificios, empaquetaduras de fibras, etc., cada una de las cuales adecuada para un tipo específico de quemador o aplicación. Finalmente, los quemadores fabricados con materiales cerámicos presentan una muy elevada eficiencia radiante, junto con un espectro de emisión radiante muy ajustado al espectro de absorción del agua, lo que hace a los quemadores cerámicos muy adecuados para procesos de secado, curado, tratamiento térmico, etc. Esto ha provocado una gran expansión en la utilización de los materiales cerámicos para el diseño de quemadores de gas en los sectores doméstico, comercial, e industrial de baja potencia.

1.1.2 Requisitos para los cerámicos en los quemadores

Los requisitos principales que debe cumplir un material cerámico para que sea adecuado como quemador son: poseer un bajo coeficiente de dilatación térmica y una baja conductividad térmica, tener alta emisividad térmica y estabilidad mecánica a alta temperatura, así como una porosidad elevada para que aumente tanto la eficiencia de la combustión como la superficie radiante total. Además, existen requerimientos comerciales como que deben ser económicos, disponibles en poco tiempo y fáciles de producir industrialmente. Hay distintos materiales cerámicos que cumplen, en mayor o menor medida, los requisitos antes mencionados. Entre estos materiales se encuentran el óxido de aluminio, la mullita, el titanato de aluminio, el óxido de circonio, el carburo de silicio, los compuestos del sistema LiO2 -Al2 O3 -SiO2 y la cordierita. La cordierita es un compuesto cerámico del sistema ternario MgOAl2 O3 -SiO2 de fórmula molecular 2MgO:2Al2 O3 :5SiO2 .

- Otro tipo de quemador

Aparte de los quemadores de gas cerámicos también existen quemadores de gas metálicos. La principal ventaja de los quemadores metálicos frente a los cerámicos es su resistencia mecánica, y su inconveniente es la oxidación. Las formas principales en las que se presentan comercialmente son los perforados con agujeros o rejillas (4) y los de fibras (5). Los materiales base de estos quemadores son distintas aleaciones metálicas como aceros austeníticos, ferríticos, aleaciones de FeCr-Al (FeCralloy) y Ni-Cr-Fe (Nicrofer). Al igual que los quemadores cerámicos, los metálicos pueden presentar distintas geometrías: planos, cónicos, cilíndricos etc.

- Combustión de un gas

La combustión de gas natural es muy común en usos domésticos, como son los sistemas centrales de calefacción y las cocinas. Una ventaja del gas natural frente a los combustibles fósiles es su mayor limpieza, ya que no hay emisión de SOx, debido a que todos los compuestos de azufre se eliminan antes del transporte. Sin embargo, sí se producen emisiones de CO2, CO y NOx. El CO2 es inherente a la combustión y solamente puede reducirse disminuyendo la cantidad de combustible quemado. La emisión de CO es pequeña cuando se consigue una combustión eficiente, mientras que la emisión de NOx, propia de la combustión en aire, se puede reducir si la temperatura de los gases de combustión decrece. Esto último se consigue usando quemadores de superficie que trabajen en modo radiante, ya que la llama se enfría en contacto con el quemador, el cual pierde esta energía principalmente por radiación. Los quemadores fabricados con materiales altamente porosos son los más idóneos para este uso. Un quemador radiante es aquel que convierte una alta proporción de la energía que le suministra el combustible en energía radiante, que se puede usar para calentar otro material. La cantidad total de calor irradiado por un cuerpo caliente depende de la naturaleza de su superficie y de su temperatura.

- Espectro de emisión radiante

Todo cuerpo que se encuentre a temperatura superior al cero absoluto emite radiación. El espectro electromagnético completo (Figura 1) cubre, por ello, desde las ondas “largas” de cuerpos a baja temperatura a las radiaciones gamma de onda “corta”. Del espectro electromagnético, solo una porción comprendida entre las longitudes de onda de 10ˆ-3 m y 10ˆ-7 m, correspondientes a la radiación infrarroja, visible y ultravioleta cercana, son las consideradas en el calentamiento radiante mediante quemadores a gas

[pic 1]

Fig. 1- Espectro electromagnético completo, en el que se muestra el rango de longitudes de onda, el tamaño de las ondas y su frecuencia, así como las diferentes fuentes de radiación que las producen. Se muestra también el rango de longitudes de onda que cubren los quemadores radiantes.

Tabla I. Intensidad radiante relativa en función de la temperatura del foco emisor

Temperatura (ºC)

Intensidad Radiante Relativa

800

1

900

1.42

1000

1.98

1100

2.68

1400

5.91

Por otro lado, es conocida la relación entre la longitud de onda radiante y la intensidad de la radiación. Según la ley de Stefan-Boltzman (E = σ Tˆ4), todos los objetos calientes emiten un espectro de radiación característico, siendo la intensidad de la radiación proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta del emisor. Esto es, existe una relación directa entre la temperatura del foco emisor y la intensidad radiante del mismo (Tabla 1). De ello se deduce la gran importancia de adecuar la temperatura de la superficie del quemador a la intensidad radiante que se pretende conseguir.

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