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.

Diversas sondas de medida en llama para el combustor de 0.5 MW

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 la captación de una muestra representativa de aerosoles submicrónicos en sistemas de combustión. Se ha demostrado que este dispositivo reduce enormemente los distintos fenómenos que pueden modificar las características de la muestra, y que pueden dar lugar a errores inaceptables con las tradicionales sondas de dilución. Con esta sonda ha podido describirse con éxito el proceso de formación de aerosoles minerales en la combustión de carbón, biomasa y residuos.

Visualización mediante una llama del flujo succionado por la sonda AQPS

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:

• 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).

Radiómetro elipsoidal

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:

• 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.

Tubo de Pitot de 5 orificios