para el combustor de 0.5 MW
El LCI cuenta con una gama muy completa de instrumentación, adecuada para medir las numerosas variables de interés.
Además, existe también una colaboración frecuente con el Instituto de Carboquímica (CSIC), que dispone de abundantes medios para análisis químicos, y con los Servicios de Microscopía Electrónica (SEM, TEM) y de Análisis de la Universidad de Zaragoza.
A continuación se resumen brevemente los principales medios disponibles, según los siguientes apartados:
• Sondas de medida en llama
• Sistema de monitorización avanzada de llamas
• Caracterización de partículas durante la combustión
• Sistema de análisis de gases
• Medida de tamaños de partícula
• Instrumentación de proceso
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| Diversas sondas de medida en llama para el combustor de 0.5 MW |
Para la caracterización detallada de llamas es necesario disponer de instrumentación que permita determinar localmente diversos parámetros, con objeto de poder reconstruir su distribución espacial dentro de la cámara de combustión. El LCI dispone de un completo conjunto de sondas para medida en llama que hacen posible este tipo de estudios. Todos estos dispositivos están diseñados para soportar las condiciones en el interior de llama (altas temperaturas, atmósferas corrosivas), y la mayor parte son aptos para operar con las altas concentraciones de partículas existentes en llamas de carbón, biomasa o fuel-oil.
Sondas de muestreo de gases
En este caso, la camisa de refrigeración de la sonda, además de asegurar su integridad, asegura un enfriamiento rápido de la muestra (quenching) con objeto de paralizar las reacciones químicas y extraer una muestra representativa de la mezcla de gases existente en el punto de muestreo.
Se dispone de sondas con distintas configuraciones, específicas para distintas situaciones: flujos con alta concentración de partículas, reducción de efectos catalíticos en pared (recubrimiento de cuarzo), refrigeración con vapor para evitar pérdidas por condensación de ciertas especies, sistema de muestreo para HCN y NH3 en llama.
La muestra extraída es acondicionada y transportada al sistema de análisis en continuo.
Sondas de muestreo de partículas
Diseñadas con distintas configuraciones, todas ellas contienen un filtro sinterizado (normalmente en cabeza) donde son retenidas las partículas. La muestra recogida puede pesarse (para cálculo de concentración) o analizarse (microscopía electrónica, análisis de inquemados o cenizas, análisis de metales pesados, caracterización granulométrica…).
Son aptas para medida en humos de salida o en el interior de la llama. La camisa de refrigeración asegura que las partículas retenidas no siguen oxidándose al succionar gases a alta temperatura.
El isocinetismo puede garantizarse mediante la utilización conjunta con sondas de velocidad; el extremo del tubo de succión es intercambiable, pudiendo adaptarse a un amplio rango de situaciones.
Sondas de muestreo de aerosoles
El LCI ha desarrollado un nuevo concepto de sonda ( aerodynamic-quenching particle sampling , AQPS) para
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Visualización mediante una llama del flujo |
La sonda incorpora un dispositivo que permite captar una muestra directamente sobre un porta para TEM, para su posterior análisis granulométrico y químico.
Sensores de temperatura
Las condiciones típicas en el interior de cámaras de combustión impiden la utilización de cañas pirométricas convencionales; no solamente por las altas temperaturas, sino también porque tienen asociados errores muy importantes (en muchos casos, de cientos de grados). Por este motivo, es necesario utilizar dispositivos específicos.
Uno de los sensores utilizados es el denominado “termopar de hilo fino”. El elemento sensible es un termopar de platino (tipo S o R), con diámetros entre 25 y 70 micras, y sin ningún tipo de recubrimiento o vaina. De esta forma, los errores se minimizan (no son despreciables, pero se pueden calcular). Se ha desarrollado un método de compensación de la inercia que posibilita la determinación de fluctuaciones con frecuencias cercanas a 1 kHz, de gran interés, entre otros, en el estudio de llamas turbulentas.
Los termopares de hilo fino se construyen en el propio LCI, mediante un dispositivo especial de descarga eléctrica con posicionamiento micrométrico.
Otra categoría de sondas son los denominados ‘pirómetros de succión', disponibles hasta longitudes de inserción de 3 m. Estos instrumentos están considerados como la técnica más fiable disponible actualmente para la medida dentro de cámaras de combustión, y son aptos también para su utilización con combustibles pulverizados. Se han diseñado y construido nuevos dispositivos (se han solicitado dos patentes) que constituyen mejoras significativas respecto a los diseños tradicionales, por su menor tamaño e inercia y su mayor sencillez de operación.
Transferencia de calor
Se dispone de distintos sensores para la medida de transferencia de calor:
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| Radiómetro elipsoidal |
• El radiómetro elipsoidal permite determinar el flujo de calor incidente sobre una superficie, exclusivamente por radiación.
• El medidor de flujo total se utiliza para medir la transferencia total de energía (radiación+convección).
Medida de velocidades
Dado el papel fundamental que juega la aerodinámica en todos los aspectos de los quemadores y llamas industriales, resulta muy útil poder caracterizar el campo de velocidades en el interior de la cámara. Se dispone para ello de distintos tipos de sondas, todas ellas aptas para realizar medidas puntuales en el interior de llamas:
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| Tubo de Pitot de 5 orificios |
• Sonda direccional, para la localización de zonas de recirculación
• Tubo de Prandtl, para la medida en flujos de dirección conocida
• Pitot de 5 orificios, que permite determinar las tres componentes de velocidad y la presión estática en flujos de dirección desconocida.
La medida de diferencias de presión se realiza mediante distintos transductores y un sistema de electroválvulas con maniobra automatizada.
Monitorización avanzada de llamas
Una de las líneas de trabajo activas es el desarrollo de métodos avanzados de monitorización de la combustión. El LCI está trabajando en utilizar distintos sensores que proporcionen información directa sobre la llama, y que al mismo tiempo sean aptos para instalación en ambientes industriales. En concreto, se están utilizando los siguientes instrumentos:
• Micrófonos de alta fiabilidad
• Sensores de radiación, para 3 bandas distintas: UV, VIS, IR.
• Cámara de video, con sistema auxiliar para instalación en cámara de combustión.
• Cámara CCD intensificada, cubriendo UV+VIS
Se cuenta también con los sistemas ópticos y electrónicos auxiliares, y con diversas tarjetas de adquisición a alta velocidad (hasta 4*1 MHz) y frame-grabbers.
Caracterización de partículas durante la combustión
El LCI está desarrollando un instrumento novedoso para la caracterización detallada in-situ de las partículas durante su proceso de combustión. El sistema permite determinar:
•Temperatura instantánea de las partículas, mediante pirometría de tres colores.
•Tamaño, forma y velocidad, mediante procesado de imágenes registradas con cámara CCD intensificada.
Mediante un microscopio de larga distancia, con una resolución de 3 micras, pueden determinarse los parámetros de las partículas sin perturbar su proceso de combustión.
Este sistema resulta especialmente útil para el estudio de la combustión de carbón pulverizado o biomasa, así como para la investigación de los fenómenos asociados a la materia mineral (fouling/slagging).
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| Sistema óptico de caracterización de partículas durante la combustión |
Las muestras de gases captadas en el interior de la llama o en el conducto de salida pueden caracterizarse
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| Sistema de análisis de gases |
El sistema incluye dos etapas consecutivas de acondicionamiento de muestra (secado, filtrado), y la batería de gases de referencia necesarios para la verificación y calibración periódica de cada uno de los analizadores.
Además de este sistema fijo, se dispone también de equipos portátiles de análisis de gases de combustión.
Medida de tamaños de partícula
La determinación de distribuciones de tamaño constituye una información básica en el estudio de combustión de sólidos, o de emisiones de material particulado.
Para ello, el LCI dispone de un diractómetro láser (Malvern Mastersizer S), apto para determinar distribuciones de tamaños en el rango 0.5-800 micras.
La caracterización de tamaños, morfología y composición química de partículas se lleva a cabo también mediante los microscopios electrónicos SEM y TEM disponibles en el Servicio de Microscopía Electrónica de la Universidad de Zaragoza, lo que además posibilita analizar aerosoles submicrométricos.
Dado el carácter industrial y la variedad de las instalaciones disponibes, el LCI cuenta con una completa gama de instrumentación de proceso, cubriendo amplios rangos de temperatura, presión o caudales de líquidos, gases e incluso sólidos pulverizados.
Además de resultar necesaria para el funcionamiento de las propias instalaciones, parte de esta instrumentación se utiliza con frecuencia para la caracterización de diversos sistemas o dispositivos de interés para algunas empresas.
Las instalaciones tienen un alto grado de automatización, con lazos de regulación automática en todos los parámetros relevantes del ensayo. De esta forma se asegura la fiabilidad y estabilidad del proceso y de los resultados obtenidos. Además, se ha desarrollado un sistema propio de adquisición y tratamiento de datos, en el que convergen en torno a 100 señales analógicas de los transductores existentes en las instalaciones auxiliares o de los analizadores y sensores de medida en llama.
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| Sistema de adquisición y supervisión de sensores (2 pantallas simultáneas) |
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