ES2319151A1

ES2319151A1 - Quemador radiante poroso.

Info

Publication number: ES2319151A1
Application number: ES200701465A
Authority: ES
Inventors: Maria Isabel Osendi Miranda; Maria Antonia Sainz Trigo; Maria Pilar Miranzo Lopez; Ricardo Marin Marin; Jose Antonio Salguero Suarez; Luis Javier Fernandez Garcia
Original assignee: P I Prosider Iberica S A; Pi Prosider Iberica Sa; Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Ikerlan S Coop
Current assignee: P I Prosider Iberica S A; Pi Prosider Iberica Sa; Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC; Ikerlan S Coop
Priority date: 2007-05-29
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2009-05-04
Anticipated expiration: 2027-05-29
Also published as: ES2319151B1

Abstract

Ensamblaje para quemadores radiantes porosos que comprende una placa base que comprende unas fibras cerámicas compactadas cuya composición comprende una mezcla de SiO{sub,2} y Al{sub,2}O{sub,3} en una proporción comprendida entre 70:30 y 30:70 en peso, y una estructura porosa situada sobre la placa base cuya composición comprende entre 65 y 80% en peso de SiC y al menos un segundo componente cerámico.

Description

Quemador radiante poroso.

Sector de la técnica

La presente invención se relaciona con un ensamblaje que comprende una placa base que comprende unas fibras cerámicas de SiO_{2} y Al_{2}O_{3}, sobre la que se ubica una estructura porosa basada en SiC, y su empleo en quemadores porosos radiantes.

Estado anterior de la técnica

Existen múltiples procesos y equipos industriales que utilizan la radiación térmica como medio más eficiente de calentamiento. En general, se trata de procesos o equipos en los que el material o componente a calentar no absorbe el calor por convección de forma eficiente, o en los que se trata de calentar la superficie de forma rápida. En la actualidad, muchos de esos procesos/equipos industriales utilizan resistencias eléctricas como elemento calefactor. Varias han sido las razones que han favorecido esta situación. En primer lugar, el insuficiente grado de desarrollo de los quemadores radiantes de gas, prácticamente restringidos a las placas cerámicas perforadas que, en muchos casos, no tiene probada fiabilidad a largo plazo. Por otro lado, los quemadores superficiales de gas no son capaces de alcanzar las temperaturas de foco adecuadas para el proceso y tienen baja eficiencia radiante (<30%) y reducido margen de modulación de potencia. Por último, la investigación en componentes para el manejo y control de estos quemadores ha sido claramente insuficiente.

Sin embargo, la tecnología de quemadores porosos radiantes puede superar estos problemas permitiendo alcanzar temperaturas de foco caliente de aproximadamente 1400ºC, con eficiencias radiantes del orden de 50-60% en todo el rango de potencias térmicas. Este tipo de quemadores permite competir en condiciones muy ventajosas con los sistemas de calentamiento radiante eléctrico convencionales. No hay que olvidar además los beneficios que para el medio ambiente produce por su elevada eficiencia térmica: 60-70% frente al 35% máximo obtenible con el calentamiento eléctrico radiante, en términos de energía primaria. Esto se traduce en un consumo de dicha energía primaria de aproximadamente la mitad que en el calentamiento radiante eléctrico y con reducciones, al menos equivalentes, de CO_{2}, CO y NO_{x}.

Por otra parte, a diferencia de los quemadores de superficie, en los quemadores porosos radiantes la combustión tiene lugar en cavidades distribuidas tridimensionalmente en un medio poroso inerte, de forma que la llama queda confinada en un espacio reticular donde se completan las reacciones de combustión. La transmisión del calor, en este caso, tiene lugar desde el interior del material hacia su periferia por la acción combinada de radiación, convección y la conducción a través del medio poroso. La estructura del quemador poroso radiante tiene dos regiones bien diferenciadas: la zona de precalentamiento o placa base y la zona de combustión o estructura porosa.

El diseño de tales quemadores radiantes porosos y los materiales usados en su fabricación varían considerablemente. No obstante, el principal objetivo que se persigue es conseguir calentar el elemento radiante a la temperatura más elevada posible mediante transferencia de calor de convección a partir del proceso de combustión, y al mismo tiempo evitar la deformación, la formación de fisuras u otros daños físicos en la estructura del quemador.

Por su forma de trabajo, la estructura porosa está sometida a muy elevadas temperaturas, entre 1200º y 1400ºC, mientras que la placa base debe soportar enormes gradientes de temperatura, desde 1400ºC en su cara caliente (la que está en contacto con la estructura porosa) hasta menos de 100ºC en su cara fría. Como consecuencia de ello, se inducen grandes tensiones termomecánicas que, si no se mitigan con el adecuado diseño y selección de los materiales que componen la placa base y la estructura porosa, pueden producir fracturas en las placas bases que conducen rápidamente al colapso del quemador.

Aunque el desarrollo de capas cerámicas porosas como elementos radiantes en quemadores porosos radiantes ha aumentado la intensidad y eficiencia a la cual la energía química del combustible puede ser convertida en energía radiante, los diseños de quemadores radiantes a gas que usan capas cerámicas porosas son menos eficientes de lo que se desearía. Por lo tanto, existe una clara necesidad en la industria de desarrollar nuevos y mejorados quemadores radiantes que emplean capas de materiales cerámicos porosos que exhiban mayores eficiencias y mayores intensidades de radiación que los actualmente disponibles.

Exposición de la invención

El objeto de la presente invención es el de proporcionar una placa base y una estructura porosa para su uso en quemadores porosos radiantes, que consigue trabajar adecuadamente en condiciones radiantes en el intervalo de potencias 500 - 1500 kW/m^{2}, manteniendo la llama radiante y homogénea sin que se produzcan degradaciones aparentes en los diferentes materiales que constituyen dicho ensamblaje, un proceso de fabricación de dicho ensamblaje y un uso de dichos quemadores radiantes.

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Así, un primer aspecto de la presente invención se refiere a un ensamblaje que comprende:

a): una placa base que comprende unas fibras cerámicas compactadas cuya composición comprende una mezcla de SiO_{2} y Al_{2}O_{3} en una proporción comprendida entre 70:30 y 30:70 en peso, y

b): una estructura porosa situada sobre la placa base cuya composición comprende entre 65 y 80% en peso de SiC y al menos un segundo componente cerámico.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de un ensamblaje según el primer aspecto de la invención, que comprende las siguientes etapas:

a.: proporcionar una placa base,

b.: proporcionar una estructura porosa,

c.: posicionar la estructura porosa sobre la placa, y

d.: unir la placa base y la estructura porosa mediante un marco cerámico que los encierra.

En un tercer aspecto, la invención se relaciona con el uso mencionado dicho ensamblaje para la fabricación de quemadores porosos radiantes.

Un cuarto aspecto de la invención se refiere a un quemador poroso radiante que comprende un ensamblaje según el primer aspecto de la invención.

Un último aspecto de la invención se refiere al uso de un quemador poroso radiante como se ha definido anteriormente, en procesos de conformado, en tratamientos térmicos superficiales, en procesos industriales de secado, en procesos industriales de curado y en aplicaciones domésticas.

Estas y otras características y/o ventajas de la invención se harán evidentes a la vista de las figuras y de la descripción detallada de la invención.

Descripción de las figuras

Fig. 1 Ensamblaje según la invención integrado en un quemador poroso radiante.

Fig. 2 Aspecto de una estructura porosa de composición SiC-caolín-Al_{2}O_{3} tratada a 1435ºC.

Fig. 3 Micrografía (MOLR) de la estructura porosa mostrada en la Fig. 2 en donde se observa el hueco interior triangular de un puente cerámico.

Fig. 4 Microestructura (MEB) de una estructura porosa de composición SiC-caolín.

Fig. 5 Microestructura (MEB) de una estructura porosa de composición SiC-caolín-Al_{2}O_{3}.

Fig. 6 Aspecto de la estructura porosa del quemador poroso radiante final tras un ensayo de larga duración.

Descripción detallada de la invención

En la figura 1 se muestra un ensamblaje 1 según la invención, que comprende una placa base 2 que comprende unas fibras cerámicas compactadas cuya composición comprende una mezcla de SiO_{2} y Al_{2}O_{3} en una proporción que varía desde 70% SiO_{2}:30% Al_{2}O_{3} hasta 30% SiO_{2}:70%Al_{2}O_{3} en peso, y una estructura porosa 3 situada sobre la placa base 2, cuya composición comprende entre 65 y 80% en peso de SiC y al menos un segundo componente cerámico.

El ensamblaje 1 está integrado en un quemador 10 poroso mostrado también en la figura 1, incluyendo dicho quemador 10 poroso unos elementos adicionales tales como un homogenizador de presiones 4, un soporte 5, un marco 6 cerámico, y unos electrodos 7 para el encendido del quemador 10 y la detección de llama, cuyas características serán descritas a continuación.

Ensamblaje Placa base

La placa base 2 tiene como principal objetivo permitir el paso de la mezcla aire-gas, y a su vez, debe evitar el retroceso de la llama que está favorecido por las altas temperaturas generadas (1440º-1500ºC) en la interfaz placa base 2/estructura porosa 3. Además, la placa base 2 debe actuar como soporte de la estructura porosa 3, evitando el desplazamiento lateral de la misma, acomodando las deformaciones asociadas a su expansión térmica. El material constitutivo de la placa base 2 debe tener como características fundamentales, una muy baja conductividad térmica en la dirección del flujo de gas y además, debe ser tolerante frente a las tensiones desarrolladas por los elevados gradientes térmicos que tiene que soportar. En concreto, el gradiente térmico soportado en dicha placa base 2 en un espesor de unos 15-20 mm, va desde menos de 100ºC en una cara fría 2a de entrada de la mezcla aire-gas, hasta unos 1300º-1400ºC en una cara caliente 2b en contacto con la estructura porosa 3. Debido a este gradiente térmico, la tensión termomecánica en la dirección del flujo es elevada.

En la presente invención, se ha demostrado que una composición para la placa base 2 que comprende unas fibras cerámicas compactadas cuya composición incluye una mezcla de SiO_{2} y Al_{2}O_{3} en una proporción entre 70:30% y 30:70% en peso, permite mejorar su comportamiento ante la fatiga térmica dado que no sufre contracciones apreciables por debajo de 1000ºC, mientras que después de un ensayo en el que la cara caliente 2b alcanzó una temperatura de 1533ºC, tan solo se ha observado una pequeña reducción del 2% en el diámetro.

La estructura de la placa base 2 se basa en un entramado de fibras, cuyo diámetro oscila entre 3 y 10 \mum. Su espectro de DRX es característico de materiales amorfos con varias bandas anchas, la principal centrada en 22º que corresponde al pico de cristobalita.

En una realización preferente de la invención, la composición de la placa base 2 que comprende unas fibras cerámicas compactadas cuya composición incluye una mezcla de SiO_{2} (46-50% en peso) y Al_{2}O_{3} (54-50% en peso). El alto contenido en Al_{2}O_{3} permite aumentar la refractariedad pudiendo trabajar a temperaturas de 1350ºC.

La fabricación de la placa base 2 se puede llevar a cabo mediante cualquier procedimiento conocido en el estado de la técnica. En una realización particular, la placa base 2 se fabrica mediante un procedimiento de conformado en vacío A que comprende las siguientes etapas:

a): formar una pasta húmeda mediante la mezcla de las fibras cerámicas con un aglutinante orgánico y un disolvente, y

b): compactar la pasta húmeda eliminando el disolvente para formar una pieza en verde.

El aglutinante orgánico empleado en la etapa a) puede ser cualquier material orgánico capaz de adherirse a las fibras cerámicas tras la etapa de eliminación del disolvente. El aglutinante puede comprender, por ejemplo, un polímero orgánico (polímero acrílico, copolímero estireno-butadieno, polibutadieno, cloruro de polivinilo, copolímero de acrilonitrilo y butadieno, acetato de vinilo) o una resina polimerizable (resina fenólica, termoplástico o un látex termoestable), fibras termoplásticas o mezclas de los mismos. El aglutinante orgánico proporciona un cierto carácter termoplástico impartiendo a la placa flexibilidad y resistencia a la manipulación, y se incorpora típicamente a la formulación en una cantidad que oscila entre un 1% y un 10% en peso, con relación al peso total de la pieza en verde formada. En una realización preferente, se emplea una resina fenólica como aglutinante orgánico, siendo dicho aglutinante orgánico disuelto o suspendido en un disolvente adecuado (agua o disolvente orgánico). En una realización preferente, el disolvente es agua.

La etapa b) de compactación se puede llevar a cabo mediante un proceso de moldeo por vacío para eliminar el disolvente obteniéndose así la pieza en verde.

Posterior al proceso de conformado en vacío A, se pueden realizar una o varias impregnaciones con el fin de endurecer y aumentar la densidad del material. Ejemplos de métodos de impregnación incluyen pulverización, recubrimiento por saturación, recubrimiento laminar. El proceso de impregnado puede llevarse a cabo, por ejemplo, a temperatura ambiente o con una presión reducida para acelerar la penetración de la impregnación y para eliminar posibles gases atrapados en la pieza en verde. A continuación, para aumentar la consistencia y dureza de las placas bases 2, éstas se tratan en un horno de cámara a 1000 - 1400ºC. En una realización preferente, las placas bases 2 se tratan a una velocidad de calentamiento de 10ºC/min hasta 600ºC y a 2ºC/min hasta la temperatura de tratamiento. Esta última etapa evita que se produzcan contracciones no deseadas de dichas placas bases 2 durante la puesta en servicio del quemador 10.

Antes de la etapa de endurecimiento es recomendable proceder al taladro de la placa base 2 mediante punzones de aproximadamente 1 mm de diámetro, para fabricar unos canales de paso de la mezcla de gases.

Estructura porosa

Por "estructura porosa" se entiende una esponja cerámica que tiene un tamaño promedio de celda de aproximadamente 3 mm de diámetro. En dicha estructura porosa 3, dispuesta sobre la placa base 2 descrita anteriormente, tiene lugar la combustión de la mezcla aire-gas. La estructura porosa 3 debe contener la llama y radiar el máximo de calor hacia el ambiente, por lo que el material constitutivo de dicha estructura porosa 3 debe tener una elevada conductividad y una alta emisividad. Además, debido a las tensiones termomecánicas producidas por los diferentes coeficientes de expansión térmica entre las placas bases 2, y al entorno oxidante generado por las reacciones de combustión en la estructura porosa, ésta debe ser resistente a la fatiga térmica y a la corrosión/oxidación.

La estructura porosa 3 caracterizada por presentar un contenido de SiC entre 65% y 80% en peso, y al menos un segundo componente cerámico, consigue mantener una llama radiante y homogénea sin que la placa base 2 llegue a deteriorarse. Los ensayos realizados han demostrado que la estructura porosa 3 presenta una excelente resistencia a la rotura ante fatiga térmica, apareciendo únicamente y tras varias horas de ensayo, grietas prácticamente inapreciables en sus bordes que no afectan al comportamiento radiante.

El segundo componente cerámico puede ser Si_{3}N_{4} o caolín. En el caso de que dicho segundo componente cerámico sea caolín, la estructura porosa 3 puede incluir también un tercer componente cerámico tal que Al_{2}O_{3}. La incorporación del segundo componente y/o del tercer componente cerámico se lleva a cabo para favorecer la sinterización de la estructura porosa 3 durante un procedimiento de obtención B.

En una realización preferente de la invención, la estructura porosa 3 presenta las siguientes composiciones en peso: 80% SiC y 20% Si_{3}N_{4} ó 80% SiC y 20% caolín.

En una realización aún más preferente, la composición de la estructura porosa 3 es 68% SiC, 17% caolín y 15% Al_{2}O_{3}. Dicha estructura porosa 3 presenta la ventaja de no sufrir la aparición de pequeñas grietas en los bordes del quemador 10. Además, con dicha composición se consigue aumentar la refractariedad de dicha estructura porosa 3, disminuye la cantidad de vidrio y aumenta la cantidad de mullita en la fase ligante. La figura 2 muestra el aspecto de una estructura porosa 3 con la composición especificada 68% SiC, 17% caolín y 15% Al_{2}O_{3} tratada a 1435ºC.

El procedimiento de obtención B de la estructura porosa 3 comprende las siguientes etapas:

a.: proporcionar una espuma polimérica con un tamaño de celda que corresponda con el tamaño final de la estructura porosa 3,

b.: proporcionar una barbotina cerámica que comprende SiC y al menos el segundo componente cerámico en forma de polvo, disperso en un medio líquido,

c.: impregnar la espuma polimérica en la barbotina,

d.: eliminar el medio líquido y endurecer la espuma polimérica impregnada, y

e.: eliminar el polímero y sinterizar el SiC y al menos el segundo, mediante un tratamiento térmico.

La espuma polimérica empleada inicialmente puede ser una espuma de poliuretano cuyo tamaño de celda es aproximadamente 3 mm. Dicha espuma de poliuretano puede obtenerse mediante cualquier procedimiento de espumación de polímeros conocido en el estado de la técnica.

La barbotina cerámica con la que se impregna la espuma polimérica, comprende el SiC y al menos el segundo componente cerámico en forma de polvo. En una realización particular, la barbotina está formada por los polvos cerámicos del SiC y de al menos el segundo componente, un dispersante, un aglomerante y sílice coloidal dispersos en agua. Como dispersante se puede utilizar un polielectrolito como los usados comúnmente para estabilizar las suspensiones; como ligante se puede utilizar el ortofosfato de aluminio en forma coloidal, la carboximetilcelulosa y la sílice coloidal; y el polietilenglicol se puede utilizar como plastificante.

La impregnación de la espuma polimérica se realiza varias veces consecutivas mediante inmersión en la barbotina cerámica descrita anteriormente. El exceso de barbotina es eliminado mediante presión mecánica sobre la espuma polimérica, que posteriormente se somete a un proceso de secado para evaporar el medio líquido y endurecer dicha espuma polimérica. La espuma polimérica en verde obtenida usando el procedimiento de obtención B es una réplica de la espuma polimérica de la que se parte.

Por último, la eliminación del polímero de la espuma polimérica y la sinterización del SiC y de al menos el segundo componente cerámico se realiza en una sola operación, mediante un tratamiento térmico en aire o en nitrógeno. En todos los casos, el ciclo térmico de cocción se realiza en dos etapas. En una realización particular, la primera etapa se realiza a una velocidad de calentamiento de 5-10ºC/min hasta 400-600ºC, y la segunda etapa a menor velocidad de calentamiento (2ºC/min) hasta la temperatura de sinterización. La temperatura de sinterización depende de la composición de la estructura porosa 3 utilizada y se selecciona de forma que se consiga la mayor densidad posible, sin exudación del vidrio, y siempre teniendo en cuenta que la temperatura de sinterización debe ser superior a la temperatura de trabajo del quemador 10 radiante, que es aproximadamente 1400ºC. La combustión del polímero produce puentes cerámicos huecos entre las celdas. La sección transversal de estos puentes, mostrada en la figura 3, presenta una cavidad de tipo triangular.

Procedimiento de fabricación del ensamblaje

El procedimiento de fabricación del ensamblaje 1 comprende las siguientes etapas:

a.: proporcionar una placa base 2 según el procedimiento de conformado en vacío A definido anteriormente,

b.: proporcionar una estructura porosa 3 según el procedimiento de obtención B definido anteriormente,

c.: posicionar la estructura porosa 3 sobre la placa base 2, y

d.: unir la placa base 2 y la estructura porosa 3 mediante un marco 6 cerámico que los encierra.

Elementos adicionales del quemador Homogeneizador de presiones

El homogeneizador de presiones 4, mostrado en la figura 1, tiene como función conseguir un reparto homogéneo de la mezcla aire - gas en el quemador 10, que asegure una apariencia radiante uniforme del mismo. En una realización particular, el homogeneizador de presiones 4 comprende una chapa metálica deflectora, sin agujeros, que obliga a la mezcla aire - gas a rodear dicha chapa antes de enfrentarse con el quemador. En otra realización particular, dicho homogeneizador de presiones 4 está constituido por una chapa metálica agujereada, cubriendo toda la sección de paso de la mezcla, obligando a dicha mezcla a circular a través de los orificios, cuyo diámetro oscila entre 3 y 5 mm.

Soporte

El soporte 5 del quemador 10 mostrado en la figura 1, es un conjunto metálico que soporta el ensamblaje 1, el marco 6 cerámico y el homogeneizador de presiones 4, asegurando la rigidez estructural del quemador 10. Se puede utilizar como material de soporte 5 un acero inoxidable de calidad 1.4841.

Marco

El marco 6 cerámico encierra la estructura porosa 3 y la placa base 2, siendo el material del marco 6 similar al el utilizado en la placa base 2.

Electrodos

Los electrodos 7 tienen como función posibilitar el encendido del quemador 10 y la detección de la llama. La mayor parte de las reacciones de combustión tienen lugar en el interior de la estructura porosa 3 por lo que la ionización residual en la salida es muy escasa y no puede utilizarse la señal eléctrica producida por la ionización de la llama. Por este motivo, puede ser conveniente eliminar una pequeña porción de la estructura porosa 3 en la zona del electrodo 7 para producir en ella una llama azul más ionizante. Puede utilizarse un único electrodo para la detección de la llama.

Por otra parte, puede utilizarse la generación de chispas de alto voltaje (20 kV, 8 Hz) entre dos electrodos. Ni la altura de los electrodos respecto a la superficie del quemador, ni su posición en planta, tienen una influencia relevante. Asimismo, puede utilizarse un electrodo caliente como encendedor del quemador.

El acople del ensamblaje 1 al quemador 10 se realiza por amarre de la placa base 2 al soporte 5 del quemador 10. Debido a los esfuerzos de compresión y flexión sufridos por la placa base 2 durante el funcionamiento del quemador 10, es aconsejable realizar dicho amarre de la placa base 2 al soporte 5 en la zona más cercana a la cara fría 2a, o al menos en la mitad más fría de la placa base 2, para evitar dilataciones térmicas. Además, rebajando la zona central de la placa base 2 con un aumento progresivo desde los bordes (0 mm) hasta el centro de la cara caliente 2b (unos 2 mm) se compensa el abombamiento de la placa base 2 en las condiciones de trabajo debido a las dilataciones en su cara superior. El amarre de la placa base 2 al soporte 5 del quemador 10 debe realizarse de manera que se permita la expansión térmica de la placa base 2 sin generar tensiones.

El quemador 10 puede ser empleado en procesos de conformado, en tratamientos térmicos superficiales, en procesos industriales de secado, en procesos industriales de curado y en aplicaciones domésticas.

Entre los procesos de conformado en los que el calentamiento radiante a gas resulta más aconsejable, se encuentran por ejemplo: forja y estampación de piezas planas o de poco espesor; laminación; extrusión de tubos y perfiles; conformado de piezas de vidrio plano o ligeramente curvado; conformado de piezas con base polímeros.

Entre los tratamientos térmicos superficiales destacan el recocido y revenido.

Entre los procesos industriales de secado se puede realizar: tintado de tejidos y alfombras; secado de papel y cartón; secado de pinturas y recubrimientos con base agua; secado de áridos; secado de piezas de látex y secado de alimentos.

Entre los procesos industriales de curado se puede realizar: curado de pinturas y recubrimientos sobre chapas y productos laminados; curado de chapas de vinilo y otros plásticos; curado de placas de fibra de vidrio; curado de polímeros y curado de adhesivos.

Entre los equipos o procesos del sector doméstico susceptibles del uso de los quemadores de la invención se encuentran cocinado industrial, aplicaciones de catering (freidoras, grills, marmitas, salamandras, cock-tops, baños-maría, generadores de agua caliente), aplicaciones domésticas (hornos, vitrocerámicas a gas).

Ejemplos

Las técnicas utilizadas para el estudio de los materiales han sido: microscopía de calefacción (MC) para analizar su refractariedad; microscopía óptica de luz reflejada (MOLR) y microscopía electrónica de barrido con microanálisis (MEB-EDX) para el estudio de las microestructuras y la distribución de fases; y difracción de rayos X (DRX) para el análisis de las fases cristalinas.

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Ejemplo 1

Preparación de la placa base

La fabricación de la placa base 2 se lleva a cabo por el procedimiento de conformado en vacío A que comprende la preparación de la pasta húmeda mediante la mezcla de las fibras cerámicas con el aglutinante orgánico que es una resina polimerizable, en concreto una fenólica, y el disolvente, en concreto agua. Las fibras cerámicas utilizadas son fibras refractarias comerciales de composición 46-50% en peso de SiO_{2} y 54-50% en peso de Al_{2}O_{3}, con un diámetro medio de 2 \mum. Como aglutinante se ha utilizado un almidón en un porcentaje inferior al 1% en peso. La compactación de la pasta húmeda para la eliminación del disolvente se realiza mediante un proceso de moldeo por vacío A para la eliminación del disolvente. Para la eliminación de los orgánicos, la placa base 2 se trata a 900º-1000ºC durante una hora.

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Ejemplo 2

Ensayos de funcionamiento para la placa base

Los ensayos realizados fueron ensayos de mantenimiento a alta temperatura. Se trataba con ello de hacer funcionar el quemador 10 durante una hora y en unas condiciones de densidad de potencia y aireación que provocara temperaturas cercanas a 1400ºC en la interfaz entre la placa base 2 y la espuma porosa 3. La combinación de densidad de potencia y aireación se llevó a cabo con ayuda de controladores másicos de gas y aire Brooks. Todos los ensayos se realizaron con gas natural de red.

Durante los ensayos se midió la temperatura en la cara caliente 2b de la placa base 2 en contacto con la estructura porosa 3 mediante un termopar tipo S de 0.15 mm de espesor. Además, para establecer los límites máximos de utilización de la placa base 2 se midieron los caudales de gas y aire con los controladores-caudalímetros másicos antes citados. Finalmente, se midió la caída de presión en el quemador 10 como indicación de la posible obstrucción de los orificios de paso de mezcla.

Para el ensayo sobre la placa base 2 de composición en peso 70% SiO_{2}/30% Al_{2}O_{3} se establecieron, como condiciones máximas de operación, una potencia específica de 1000 kW/m^{2} con un exceso de aire del 40% (\lambda=1.4). La temperatura máxima alcanzada en la cara caliente 2b de la placa base 2 durante el ensayo fue de 1533ºC.

Tras el ensayo temperatura se comprobó el estado de la placa base 2 analizando el posible deterioro, la reducción en las dimensiones originales o el agrietamiento de la misma. El material tan sólo ha sufrido una reducción del 2% en su diámetro, pasando de 98 mm iniciales a 96 mm. No obstante, el espesor de la placa base 2 permanece invariable. Tras una hora de funcionamiento en las condiciones mencionadas, se midió una caída de presión de la mezcla en el quemador ensayado de 330 Pa.

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Ejemplo 3

Preparación de la estructura porosa de formulación 80% SiC y 20% caolín

Se parte de polvos cerámicos de SiC comerciales de tamaño medio 26 \mum y de un caolín también comercial, cuyo tamaño medio es de 2 \mum. A continuación se prepara la suspensión acuosa en la que se dispersan los polvos cerámicos en la proporción diseñada, impregnándose con ella la espuma de poliuretano de 100 mm de diámetro y 15 mm de espesor, con un tamaño medio de poro de aproximadamente 3 mm y un espesor de 15 mm.

Una vez impregnada la espuma polimérica, se seca a 100ºC para eliminar el agua de la suspensión, y se somete ésta a un tratamiento de sinterización a 1400ºC, siguiendo un ciclo térmico de dos etapas. En la primera etapa la velocidad de calentamiento es de 10ºC/min hasta alcanzar 600ºC y en la segunda etapa dicha velocidad es de 2ºC/min hasta llegar a la temperatura de 1400ºC requerida. Se forma así una estructura porosa 3 o esponja cerámica de 15 mm de espesor y 100 mm de diámetro, formada por granos de SiC en un 80% en peso, ligados con una fase vítrea. Las fases cristalinas observadas en las muestras sinterizadas son SiC, cristobalita y mullita. La microestructura de esta estructura porosa 3 se muestra en la Figura 4.

Ejemplo 4 Preparación de la estructura porosa 3 de formulación 68% SiC, 17% caolín y 15% Al_{2}O_{3}

El procedimiento de obtención B de esta formulación es semejante al descrito en el ejemplo 3. Así, se prepara la mezcla de polvos cerámicos de SiC, caolín y alumina (Al_{2}O_{3}) en la proporción 68:17:15 (% en peso) como se ha descrito en el mencionado ejemplo. El Al_{2}O_{3} se adiciona a dicha mezcla para que reaccione con el exceso de sílice y disminuya la cantidad de fase cristobalita. A continuación se prepara una suspensión acuosa en la que se dispersan los polvos cerámicos de SiC, caolín y Al_{2}O_{3}, y se impregna con ella la espuma de poliuretano que presenta un tamaño medio de poro de aproximadamente 3 mm.

Una vez impregnada la espuma de poliuretano, se somete ésta a un tratamiento de sinterización a 1435ºC, siguiendo un ciclo térmico de dos etapas. En la primera etapa la velocidad de calentamiento es de 10ºC/min hasta alcanzar 600ºC y en la segunda dicha velocidad es de 2ºC/min hasta llegar a la temperatura de 1435ºC requerida.

Se forma así una estructura porosa 3 formada por granos de SiC en un 68% en peso, ligados con una fase vítrea que contiene principalmente mullita y pequeñas cantidades de cristobalita. La microestructura de la estructura porosa 3 se muestra en la Figura 5.

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Ejemplo 5

Ensayos de resistencia a rotura por fatiga térmica

Para comprobar la resistencia a la rotura por fatiga térmica de las estructuras porosas 3 obtenidas en los ejemplos 3 y 4, se han establecido tres condiciones diferentes para el ensayo y se han analizado los resultados para cada uno de ellos. Así, se ha comenzado el ensayo sometiendo dichas estructuras porosas 3 a una potencia específica de 1200 kW/m^{2} y se ha ido aumentando la potencia hasta 1500 kW/m^{2} (PCI), modificando para ello los caudales de gas y aire. El exceso de aire (lambda) ha sido constante para todos los ensayos y de un valor de 1.1 (baja aireación).

\bullet Ensayo a 1200 kW/m^{2}

\circ: caudal de gas: 15,8 Nl/min

\circ: caudal de aire de combustión: 173 Nl/min

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\bullet Ensayo a 1400 kW/m^{2}

\circ: caudal de gas: 18,43 Nl/min

\circ: caudal de aire de combustión: 201,8 Nl/min

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\bullet Ensayo a 1500 kW/m^{2}

\circ: caudal de gas: 19,75 Nl/min

\circ: caudal de aire de combustión: 216,25 Nl/min

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En las condiciones señaladas se han ensayado las estructuras porosas 3 durante un tiempo de operación continua de una hora. Entre los ensayos se ha dejado enfriar la placa base 2 hasta la temperatura ambiente.

En la estructura porosa 3 que comprende 80% SiC - 20% de caolín, inicialmente aparece una llama azul que enseguida penetra en la estructura porosa 3 y pasa a ser radiante.

Los resultados obtenidos demuestran que esta estructura porosa 3 proporciona una llama radiante y homogénea en todos los ensayos realizados a diferentes potencias. Su estructura no se ve deteriorada, tan solo aparecen pequeñas grietas prácticamente imperceptibles en los bordes del material, y su comportamiento radiante no se ve afectado.

Los resultados obtenidos para la estructura porosa 3 cuya composición en peso es 68% SiC - 17% caolín - 15% Al_{2}O_{3}, muestran un comportamiento excelente para esta estructura porosa 3, en donde se ha observado que se mantiene la llama radiante, homogénea y no aparecen agrietamientos en los bordes del quemador 10.

Ejemplo 6 Ensayos realizados sobre el quemador

Con el quemador 10 final, constituido por la placa base 3 con fibras cerámicas compactadas de composición entre 46% - 50% en peso de SiO_{2} y 54% - 50% en peso de Al_{2}O_{3} fabricada según el ejemplo 2, y la estructura porosa 3 de composición en peso 68% SiC - 17% caolín - 15% Al_{2}O_{3} fabricada según el ejemplo 4, se han llevado a cabo los siguientes ensayos:

a.: Ensayo corto, de caracterización del quemador.

b.: Ensayo largo, para determinar la supervivencia de la estructura porosa.

c.: Ensayo de operación de los electrodos con la llamita azul formada.

a. Ensayo corto de caracterización del quemador

Se trataba de establecer el campo de trabajo del quemador 10 y su apariencia radiante. Para ello, una vez establecida una relación aire-gas razonable y fija lambda de 1,2, se realizó un barrido de potencias, entre 500 y 1200 kW/m^{2}. El gas utilizado en el ensayo fue gas natural de red. El campo de trabajo del quemador 10 resultó ser de 10 a 20 kW.

Como conclusiones de esta serie de estos ensayos puede decirse que el rango de potencia térmica del quemador 10 es de 10 a 20 kW (en gasto de gas s/PCI), el quemador presenta una uniforme apariencia radiante en todo su rango de trabajo y no ha aparecido ningún deterioro apreciable en la estructura porosa 3.

b. Ensayo largo de resistencia térmica de la estructura porosa

Se trataba de establecer si la estructura porosa 3 con la formulación última, SiC, caolín y Al_{2}O_{3}, era capaz de resistir un largo periodo de operación continua a alta temperatura, cercana a 1400ºC.

Se establecieron condiciones de potencia intermedia en el rango de trabajo de 15 kW, y se mantuvo el quemador 10 operando de forma ininterrumpida durante una hora.

Al finalizar el ensayo se analizó el estado de la estructura porosa 3 en busca de algún deterioro importante. Como se observa en la figura 6, el quemador 10 ha mantenido correctamente su funcionalidad.

Únicamente, por seguridad, sería aconsejable no colocar el quemador 10 operando con la llama hacia abajo. Quemando hacia arriba u horizontalmente serían dos posiciones válidas para el quemador 10 desarrollado.

c. Ensayo de operación de los electrodos con la llamita azul formada

En la figura 6 se aprecia el orificio de llama conformado en la estructura porosa 3. Con este ensayo se pretendía contrastar la bondad del sistema de detección de llama diseñado en base a dicha llama.

En varios encendidos realizados el quemador 10 arrancó perfectamente al primer intento, y en cuanto a la respuesta ante fallo de llama, tanto en su fase de encendido como en su operación en régimen, el paso de gas se detuvo antes de 4 segundos. Para un entorno industrial y para aplicaciones de catering es acorde a normativas.

Como conclusiones de este ensayo puede decirse que el quemador 10 puede controlarse mediante la señal de ionización producida por la llamita en la estructura porosa 3.

Claims

1. Un ensamblaje (1) que comprende:

a.: una placa base (2) que comprende unas fibras cerámicas compactadas cuya composición comprende una mezcla de SiO_{2} y Al_{2}O_{3} en una proporción comprendida entre 70:30% y 30:70% en peso, y

b.: una estructura porosa (3) situada sobre la placa base (2) cuya composición comprende entre 65% y 80% en peso de SiC y al menos un segundo componente cerámico.

2. Ensamblaje según la reivindicación 1, en donde la composición de las fibras cerámicas compactadas que constituyen la placa base (2) comprende una mezcla SiO_{2}:Al_{2}O_{3} en una proporción en peso de 46-50%:54-50%.

3. Ensamblaje según las reivindicaciones 1 ó 2, en donde el diámetro de las fibras cerámicas compactadas que constituyen la placa base (2) está comprendido entre 3 y 10 \mum.

4. Ensamblaje según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el segundo componente cerámico de la estructura porosa (3) es Si_{3}N_{4}.

5. Ensamblaje según la reivindicación 4, en donde la estructura porosa (3) comprende un 80% en peso de SiC y un 20% en peso de Si_{3}N_{4}.

6. Ensamblaje según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el segundo componente cerámico es caolín.

7. Ensamblaje según la reivindicación 6, en donde la estructura porosa (3) comprende un 80% en peso de SiC y un 20% en peso de caolín.

8. Ensamblaje según la reivindicación 6, en donde la estructura porosa (3) comprende un tercer componente cerámico, siendo dicho tercer componente cerámico Al_{2}O_{3}.

9. Ensamblaje según la reivindicación 8, en donde la estructura porosa (3) comprende un 68% en peso de SiC, un 17% en peso de caolín y un 15% en peso de Al_{2}O_{3}.

10. Ensamblaje según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el tamaño de poro de la estructura porosa (3) es de aproximadamente 3 mm de diámetro.

11. Procedimiento para la preparación de un ensamblaje (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que comprende:

a.: proporcionar una placa base (2) como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3,

b.: proporcionar una estructura porosa (3) como se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 ó de 4 a 10,

c.: posicionar la estructura porosa (3) sobre la placa base (2), y

d.: unir la placa base (2) y la estructura porosa (3) mediante un marco (6) cerámico que los encierra.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en donde la placa base (2) se prepara según un procedimiento que comprende las siguientes etapas:

a.: formar una pasta húmeda mediante la mezcla de las fibras cerámicas con un aglutinante orgánico y un disolvente, y

b.: compactar la pasta húmeda eliminando el disolvente.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, en donde el aglutinante orgánico es una resina fenólica y el disolvente es agua.

14. Procedimiento según las reivindicaciones 12 ó 13, en donde la compactación de la pasta húmeda se realiza mediante moldeo en vacío o por inyección.

15. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en donde la estructura porosa (3) se prepara según un procedimiento que comprende las siguientes etapas:

a.: proporcionar una espuma polimérica con un tamaño de celda que corresponde con el tamaño final de la estructura porosa,

b.: proporcionar una barbotina cerámica que comprende SiC y al menos el segundo componente cerámico en forma de polvo, dispersos en un medio líquido,

c.: impregnar la espuma polimérica en la barbotina,

e.: eliminar el polímero y sinterizar el SiC y al menos el segundo componente cerámico mediante un tratamiento térmico.

16. Procedimiento según la reivindicación 15, en donde la espuma polimérica es una espuma de poliuretano.

17. Uso del ensamblaje (1) según se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 para la fabricación de quemadores (10) porosos radiantes.

18. Un quemador poroso radiante que comprende un ensamblaje (1) según se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

19. Uso de un quemador poroso radiante según la reivindicación 18, en procesos de conformado, en tratamientos térmicos superficiales, en procesos industriales de secado, en procesos industriales de curado y en aplicaciones domésticas.

20. Uso de un quemador poroso radiante según la reivindicación 19, en donde los procesos de conformado son forja y estampación de piezas planas o de poco espesor; laminación; extrusión de tubos y perfiles; conformado de piezas de vidrio plano o ligeramente curvado; conformado de piezas con base polímeros.

21. Uso de un quemador poroso radiante según la reivindicación 19, en donde los tratamientos térmicos superficiales son el recocido y el revenido.

22. Uso de un quemador poroso radiante según la reivindicación 19, en donde los procesos industriales de secado son tintado de tejidos y alfombras; secado de papel y cartón; secado de pinturas y recubrimientos con base agua; secado de áridos; secado de piezas de látex o secado de alimentos.

23. Uso de un quemador poroso radiante según la reivindicación 19, en donde los procesos industriales de curado son curado de pinturas y recubrimientos sobre chapas y productos laminados; curado de chapas de vinilo y otros plásticos; curado de placas de fibra de vidrio; curado de polímeros y curado de adhesivos.

24. Uso de un quemador poroso radiante según la reivindicación 19, en donde las aplicaciones domésticas son cocinado industrial, freidoras, grills, marmitas, salamandras, cock-tops, baños-maría, generadores de agua caliente, hornos, vitrocerámicas a gas.