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Ventajas y desventajas de una combustión no estequiométrica: Quemadores industriales con exceso de aire.

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Un quemador industrial tiene exceso de aire cuando la cantidad de aire que reacciona es mayor que la cantidad de aire estequiométrico o aire teórico. En este caso la combustión realizada es combustión completa, por eso no se encuentran residuos de hollín o de combustibles en los gases de escape. A pesar de las desventajas, este tipo de combustión es confiable y permite que el quemador trabaje sin muchos problemas.

El problema principal del exceso de aire es que el aire extra, que no reacciona con el combustible para generar calor, se lleva el calor de la combustión y lo saca del sistema. Esto, no permite que se pueda aprovechar al máximo el calor generado, disminuyendo la eficiencia del proceso. Además como existe más oxígeno del que debería haber, y queda oxígeno disponible en los gases de combustión, reaccionan con el nitrógeno, formando compuestos NOx, los cuales son altamente contaminantes.

El dióxido de carbono disminuye con el exceso de aire, sin embargo, esto no solo ocurre por la reacción química, si no debido al efecto de dilución, por el aumento del aire de combustión, el cual prácticamente no trae dióxido de carbono. 

Como el contenido de oxígeno en los gases de combustión es mayor, este oxígeno enfría la combustión, y la eficiencia energética del sistema cae. Por esta razón tampoco es bueno que un quemador industrial tenga exceso de aire en la combustión. Y se recomienda que las condiciones de combustión se encuentren en la mitad de la insuficiencia y el exceso de aire.

Ventajas y desventajas de una combustión no estequiométrica: Quemadores industriales con aire insuficiente.

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Cuando un quemador tiene aire insuficiente, quiere decir que la cantidad de aire mezclado con el combustible es menor a la cantidad de aire estequiométrica. Cuando esto para el oxígeno disponible en el aire, reacciona por completo con el carbono e hidrógeno del combustible. Por esto, no queda oxígeno disponible al final de la combustión para que reaccione con el nitrógeno del aire. Esta es la única ventaja de la insuficiencia de aire. Que la combustión no genera NOx, que se forman en los gases de combustión después del proceso.

 

Debido a que la combustión es incompleta, no se usa toda la energía química del combustible. Por esta misma razón, en los gases de escape se encontrarán, mucho monóxido de carbono, hollín y combustible sin reaccionar. Otra desventaja es que la operación del quemador industrial no es confiable, aumentando la probabilidad de que la flama se extinga.

 

Por la falta de oxígeno para la combustión completa, muchos átomos de carbono reaccionan sólo con un átomo de oxígeno, generando grandes cantidades de monóxido de carbono, que es altamente contaminante. Entre más se acerque la cantidad de aire al teórico, el monóxido de carbono disminuye, y el dióxido aumenta, alcanzando un máximo cuando el aire es igual al estequiométrico. Como se usa todo el oxígeno, no se puede encontrar en los gases de escape del proceso, moléculas del mismo.

 

Por estas razones los quemadores no deben quedar calibrados con insuficiencia de aire, y deben tener las condiciones óptimas de trabajo.

Ventajas y desventajas de una combustión no estequiométrica: Relación de aire combustible en quemadores industriales

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Los quemadores industriales producen calor a partir de la reacción entre un combustible y el aire. La cantidad de aire necesaria para una combustión completa está definida por el aire teórico o cantidad estequiométrica de aire. La relación aire combustible debe ser también exacta para que se produzca la combustión completa. Sin embargo, una alta eficiencia de combustión no necesariamente implica una combustión completa. En la mayoría de quemadores Riello, la combustión debe ser realizada con un porcentaje de exceso de aire para que genere una mayor eficiencia de combustión. Debido a que el aire ambiente tiene otros elementos que influyen de manera directa e indirecta al proceso. A continuación se presenta la composición del aire puro y seco en la superficie de la tierra:

 

  • Nitrógeno: 78.07%
  • Oxígeno: 20.95%
  • Argón: 0.93%
  • Dióxido de carbono: 0.03%
  • Hidrógeno: 0.01%
  • Neón: 0.0018

 

Lo anterior es la composición del 99.9918% del aire, el resto son componentes inertes y en proporciones despreciables. Cuando el flujo adecuado de aire ingresa al quemador, con una cantidad determinada de exceso de aire se consigue un trabajo óptimo del quemador. Con esto el quemador industrial opera con una flama estable, alta eficiencia y las menores cantidades de emisiones contaminantes al ambiente. El desafío para los ingenieros de combustión, es encontrar la relación de aire óptima y la configuración del sistema más adecuada para el sistema.

¿Cuál es el tipo de quemador industrial más adecuado para mi sistema de calentamiento?

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Los quemadores industriales Riello, se dividen principalmente en tres tipos. Quemadores a una etapa, quemadores a dos etapas y quemadores modulantes. El funcionamiento de cada uno se encuentra en los artículos anteriores a este, y determinan al final, con que nivel de exactitud y precisión controlan la variable del proceso.

Con este criterio en mente, la elección del tipo de quemador que funciona mejor con el proceso donde se va a instalar, depende justamente de la precisión y exactitud con la que requieres que se controle la variable principal de dicho proceso. Para ilustrar lo mencionado anteriormente, se mostrarán los siguientes ejemplos:

  • Un cliente tiene una alberca en su casa de campo, y requiere de un sistema de calentamiento para el agua. En este caso se utiliza un sistema de calentamiento de agua con quemador industrial que a su vez, está interconectado con un intercambiador de calor de placas paralelas, el cual es muy eficiente. Para este caso, si las temperaturas del calentador de agua que tiene el quemador, oscilan entre 10 y 15 grados centígrados, no va a haber inconveniente, debido a que su temperatura de trabajo es mayor que la temperatura de confort de la alberca, y la alta eficiencia del intercambiador, mantendrá la temperatura de la alberca en el punto de configuración deseado.
  • Un cliente tiene un horno de curado de pintura electrostática de piezas por lote o carga. El curado de dicha pintura tiene una temperatura determinada. Las condiciones del horno permiten tener una permanencia de los gases alta, por lo cual no pierde calor durante el calentamiento. En este caso, con un quemador de dos etapas progresivo, se mantendrá la temperatura deseada, con una exactitud de entre 5 y 10 grados centígrados. Durante el tiempo de trabajo y de curado de la pintura de cada lote. Lo cual satisface la necesidad del cliente. 
  • En la industria automotriz, también se tienen hornos de curado de pintura. Sin embargo, los altos estándares de calidad, exigen alta exactitud y precisión de la temperatura dentro del horno. Además este tipo de hornos, son comúnmente continuos. Estas condiciones hacen necesario el uso de un quemador industrial modulante, que mantenga las condiciones de temperatura fijas, durante todo el tiempo de proceso, y de trabajo del horno.

Dicho lo anterior, el análisis del tipo de quemador industrial que requiere tu proceso, se relaciona directamente con las necesidades y exigencias del mismo. En Thermal Combustion, te damos todas las opciones mencionadas anteriormente, para satisfacer tus necesidades.

Funcionamiento de quemadores industriales: Quemador modulante.

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La señal de control que es enviada a los quemadores industriales en un control de lazo cerrado, modifica su capacidad térmica. Dependiendo del tipo de quemador es el cambio de la capacidad.

El tercer tipo de quemadores son los que tienen un funcionamiento modulante. Este quemador modula su capacidad calorífica de salida de acuerdo con la variable controlada. Puede tener hasta 8 puntos de modulación, en los que va trabajando de acuerdo con la demanda de calor y la magnitud de la variable. Existen también los que manejan señales analógicas, como las de 4 a 20 mA, y aumentan o disminuyen su capacidad en este rango, siendo 4 mA, flama baja o mínima, y 20 mA, flama alta o máxima. Además también se tienen los quemadores que realizan su control de modulación por pulsos y otros tipos de modulación que se pueden tener en la industria.

En este tipo de quemadores industriales cuando la variable se acerca a su punto de configuración (Set Point) el control le manda la señal al quemador y este va disminuyendo su capacidad paulatinamente. Esto hace que la pendiente de la gráfica, Variable controlada Vs Tiempo, sea cada vez menor, acercándose al punto de configuración y llegando a él con muy buena exactitud. Si la variable intenta disminuir su valor, el quemador aumenta la capacidad lo suficiente para volver al punto de configuración o Set point. Lo contrario pasa si la variable aumenta su magnitud. Logrando un control muy eficiente y con alta exactitud y precisión.

El control de la capacidad ya dentro del quemador industrial también lo realiza un servomotor. Este servomotor, abre o cierra la compuerta de aire y la válvula mariposa de gas. Estrangulando el flujo del combustible y el comburente, modifica la capacidad calorífica del quemador. Esta modificación la realiza de acuerdo con la necesidad de calor del sistema.

Este es el sistema más exacto y preciso en los tipos de quemadores industriales. El valor de temperatura se va a encontrar siempre muy cercano al punto de configuración o Set Point. El rango en el que puede llegar a oscilar, es muy pequeño, por lo tanto tiene un control de muy buena calidad.